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1. Ventajas y desventajas de cultivo microbiano.
2. Cinética de los distintos tipos de cultivo.
La cinética del cultivo microbiano es un proceso de microbiología industrial que tiene dos fases:
- Un proceso de crecimiento ( upstream ).
o Ingeniería del biorreactor (diseño del biorreactor) o Crecimiento del microorganismo (mejoras en el medio de cultivo, en la cepa, parámetros, cinética del crecimiento).
- Procesado o recuperación del producto o de la biomasa (down stream ).
La cinética del crecimiento es necesaria para predecir con relativa precisión el tiempo de crecimiento, el consumo de S, P obtenido, biomasa producida (X), rendimiento final (Y), costes, etc. La predicción con precisión relativamente alta de la cinética de crecimiento es importante por los costes. Dos tipos de cultivo: Cultivo Continuo, Cultivo Discontinuo y Fed Batch.
- Cultivo Discontinuo o Batch: (crecimiento-stop-crecimiento-stop…).
o Sistema Cerrado: No hay entradas/salidas de productos disueltos o células,
sistema en “lotes”. No entra nada, nada más que al principio, y no sale nada, solo al final. Excepción: anti/desespumantes, ácido/base, entrada de O2. Ventajas: Control sencillo/versátil, productividad elevada, equipamiento barato, contaminación controlada (sellado de los orificios de entrada y de salida). Desventajas: Procesado down stream complejo, se necesita alto volúmenes de limpieza y de esterilización; tiempos muertos grandes, la secuenciación de procesos (tener dos reacciones funcionando a destiempo) disminuye los tiempos muertos.
o Sistema Abierto: entran y salen productos disueltos y células. Entra S estéril y
salen P y células. Ventajas: funcionamiento ininterrumpido, tiempos muertos pequeños (no necesita limieza ni esterilización), procesado down stream fácil porque el tanque de producción es pequeño relativamente, no acumulación de sustancias tóxicas. Desventajas: productividad más baja que en Batch, no se alcanza la fase estacionaria (no hay metabolitos secundarios), riesgos de contaminación/mutación de la cepa, control complejo y es menos empleado que el Batch.
o Sistema Intermedio entre el C. continuo y el Batch: entra medio fresco pero
no salen productos ni células hasta el final del crecimiento. Se añade el S limitante por etapas (la concentración de S es baja al inicio). Ventajas: mejora la fermetación en Batch, se prolonga la fase exponencial (la concentración de células puede alcanzar el 50% del contenido del reactor), mejora del procesado down stream (volúmenes menores). Desventajas: difícil control y elevada concentración de tóxicos.
3. Control de la espuma. La producción de espuma genera problemas de aireación del medio, dificultad en el crecimiento microbiano y produce contaminación en determinadas zonas del reactor (en los
filtros de aire). En la espuma se puede concentrar los microorganismos, si sube la espuma y se situan en contacto con el filtro de aire, éste se puede estropear. El control de la espuma se realiza mediante la adición de antiespumantes, que evitan su formación, y desespumantes, que eliminan la espuma una vez formada. El control de la espuma se puede realizar de forma mecánica o química:
- Mecánica: mediante ultrasonidos (no se utilizan mucho a nivel industrial), y/o conos
que disminuyen su formación, condensando la espuma.
- Química: afectan a la tensión superficial disminuyéndola. De acción duradera, no son
tóxicos (siliconas, poliglicoles), no interfieren en el proceso, son baratos y pueden ser añadidos de forma continua (gestión informática) o discontinua
4. Floculación, filtración.
5. Métodos de separación de células en líquidos (Down stream). Ambas preguntas a continuación. Tema 10: Biorreactores IV: Procesado Down Stream: tras el proceso de fermentación, conjunto de operaciones encaminadas a la obtención de un producto vendible.
I. Pretratamientos: procesos encaminados a detener cualquier tipo de reacción no
deseada, posible contaminación. Enfriamiento, adición de floculantes, adición de coagulantes y adición de fijadores de proteínas. II. Separación de Células de líquidos. a. Floculación y flotación b. Filtración i. Filtros de profundidad ii. Filtros absolutos c. Centrifugación Floculación y Flotación Floculación: formación de flóculos que faciliten la sedimentación celular.
- Espontánea: (cultivos viejos, aumento de la temperatura).
- Inducida: (agentes floculantes: PEG, CaCl2). La floculación a veces es espontánea, por tanto no es necesario inducirla. Para inducirla, sería conveniente eliminarle las cargas en compuestos químicos como el PEG. Flotación: células en la superficie del medio
- Espontánea: mediante vesículas de gas.
- Inducida: mediante inyección de aire: espuma. La flotación puede ser espontánea si el microorganismo presenta vesículas de gas; pero en el caso de que no haya vesículas de gas, la formación de la espuma sería con inyección de burbujas. Separación de células de líquidos Filtración: es el método más usado.
a. Filtros de profundidad: son matrices filamentosas (sin tamaño de poro definido):
fibra de vidrio, papel de filtro, asbestos, más tierra de diatomeas, en ocasiones. Se usan para microorganismos filamentosos como hongos unicelulares. Ejem: filtros de tambor rotatorio, filtros de bastidores.
b. Filtros absolutos: filtros de tamaño de poro definido, para microorganismos
unicelulares. Filtros estáticos , cuyo principal problema es el de la colmatación, y necesitamos cambiar el filtro (son desechables). Filtros tangenciales (cross flow), son reutilizables, el concentrado que se obtiene se recircula porque en primeras filtraciones no sale una pasta concentrada. Estos filtros tangenciales tienen mayor presión de
secundario que se controlan midiendo la densidad del líquido resultante. Tradicionalmente en cubas de madera o tinajas de barro, hoy en tanques de acero inoxidable cilindrocónicos. Se puede llevar a cabo mediante la flora natural de la uva y/o añadiendo cultivos puros de cepas seleccionadas. a. Vino tinto: 7 días a 24-29ºC b. Vino blanco: 1-4 semanas a 10-20ºC i. Fermentación secundaria: fermentación maloláctica disminuye la acidez, convirtiendo el ácido málico en ácido láctico, solo en algunas especies. En vinos tintos de climas fríos, uvas con elevado contenido en ácido málico. Ventajas: disminuye la acidez, aumenta la estabilidad del vino y mejora la calidad organoléptica. Desventajas: precipitación de sales tartáricas, pérdida de color, producción de metabolitos perjudiciales (histaminas) que producen reacciones alérgicas.
7. Descubado : traslado del vino del depósito de fermentación a otro donde se terminará la
fermentación alcohólica y maloláctica, y será conservado (separación con tamices). Terminará la fermentación sin sólidos.
8. Prensado: Tanto el vino yema, que es el líquido, y el orujo escurrido, que es lo sólido,
se prensan juntos para extraer todo el líquido que todavía queda, que vino (caldo fermentado). Si no se prensa se puede perder hasta el 15%, pero con cuidado para evitar la astringencia. Este vino prensado se junta con el vino yema. Rendimiento/calidad según el tipo de prensa.
9. Postfermentación: Acabado o finalización del vino: el vino se estabiliza y se protege
de oxidaciones y contaminación por la adición del SO2, adición antes y después de la fermentación. Vino listo para el consumo. Se disminuye la temperatura, separación de partículas (microorganismos incluidos) por sedimentación, adición de enzimas que eliminan sustancias en suspensión (heces o lías = turbidez). Las sales tartáricas formarán el cuerpo del vino, las histaminas producen inflamaciones.
10. Postfermentación: envejecimiento o crianza. Desarrollo de cambios químicos
complejos: “bouquet”. Temperaturas bajas (5-10ºC), en barricas de roble o en botellas, tiempo variable (meses, años), embotellado tras filtrado y/o pasteurización. Para vinos de gran calidad sólo se usa una barrica.
8. Defectos del vino.
a) Biológicos ( actividad microbiana)
- Flores del vino (candida vini)
- Picado o avinagramiento ( bacterias acéticas)
- Refermentación en botella ( turbidez, cambios de sabor)
- Picado láctico ( Bacterias lácticas)
- Formación de polímeros ( Leuconostoc mesenteroides, dextrano)
- Amargor ( bacterias lácticas: glicerol---acroleína)
- Vuelta manítica ( bacterias lácticas: fructosa--- manitol). Sabor agridulce.
- Vuelta. Sabor avinagrado b) No biológicos
- Olores y sabores extraños a) Problemas en la elaboración b) Excesiva cantidad de SO c) Presencia de raspones, hollejos, semillas en el proceso de fermentación
- Precipitación de sales tartáricas( posos: por Ph elevado, elevada concentración de etanol y baja temperatura)
- Formación de flóculos de proteínas
- Polimerización de sustancias responsables del color
- Quiebras de sales ( férrica, cúprica) 9. Vinos cava. Vinos espumosos elaborados con el método champenoise ( Región de champagne) Características importantes:
- Tapón de corcho ( permite oxidaciones, no hermético)
- Mezcla de vinos, cuvée
- Se parte de vinos de mesa blancos o rosados de gran calidad ( 12-13º)
- Uvas pinot noir y blanc Vinos de mesa elaborados de modo especial
- prensado cuidadoso ( evitar dilacerar raspones y semillas)
- se desprecia cabeza y cola del prensado
- se permite la formación de ésteres de ácidos grasos ( temperaturas bajas, aprox. 15ºC) que darán propiedades organolépticas características ( caprilato, caproato, caprato de etilo) Elaboración:
- Cuvée: mezcla de vinos
- Embotellado ( botellas con tapón y vidrio especial)
- Adición de levaduras ( 1. 10-5.10 ufc/mL), azúcares ( 2-4 mg/mL ) y otros nutrientes ( vitaminas, fosfato diamónico, etc..)
- Segunda fermentación en botella Proceso lento ( aprox. 1-1.5 meses) Temperaturas bajas 12-15ºC Autolisis de las levaduras ( proceso lento) Botella de vidrio grueso y tapón especial
- Maduración larga en botella en posición horizontal Elaboración:
Segunda fermentación en botella ( Saccharomyces cerevisiae)
Se emplean levaduras especiales, diferentes a la fermentación especial
- Son de fácil sedimentación
- Resisten Ph bajos ( aprox. pH= 3.0 )
- Resisten elevadas concentraciones de CO2 ( P aprox. 6000Kpa)
- Resisten elevadas concentraciones de etanol ( se parte de un caldo )
- Proporcionan sabores/aromas agradables
- Capacidad de autolisis
- Fermentan con poca cantidad de nutrientes Elaboración: Maduración ( meses) El vino embotellado se pasa a cavas donde madurará en Posición horizontal en pupitres, las levaduras comenzarán a sedimentar. Al final del proceso la botella está en posición casi vertical.
Destilación continua, se mezcla con el Whisky de malta
- Whysky blended (Whisky escocés más comercializado) Whisky de malta (40%) + Whisky de grano (60%)
- Whysky americano: Bourbon (Kentucky) Whisky mezcla con maíz (51%) OTROS TIPOS DE WHISKY Corn (80% maíz) Rye (51% centeno) **12. Cerveza: cepillado, malteado y macerado.
- Cepillado** Erosión del grano en tambores 7. Malteado ( Malting ) Cebada→Malta (24-48h) a) Germinación controlada b) Activación de enzimas: amilasas, glucanasas, proteasas
c) Humedad elevada
d) Aireación
e) Temperatura (10-20ºC)
f) Aceleración del proceso con hormonas ( Berelex: giberelinas)
g) Se desarrolla color (1/3)*
h) El proceso se detiene con calor y deshidratación: Kilning (50-60ºC/80-100ºC)*
Tostado
8. Macerado (Mashing)
--Bagazo o cebadilla (residuo sólido: alimentación de ganado) 25% Malta --Extracto de malta: wort (mosto dulce) 75%
a) La malta se pulveriza y se mezcla con agua caliente (no superior a 100ºC). La
temperatura y la duración del proceso influirá en la composición final del producto
b) Es importante el contenido en sales del agua (afecta a las propiedadesorganolépticas)
c) Aguas duras (↑SO4, CO3)
d) Burtonización
e) Se activa una serie de enzimas (amilasas, glucosidasas, proteasas. Tabla12.3). También
se puede adicionar enzimas para mejorar el proceso (celulasas. Tabla 12.4)
13. Tipos de cerveza.
Tipos de cervezas de cebada
- ALE
- LAGER
- STOUT
- PORTER
5. PILS
6. SIN ALCOHOL (0.1%)
7. LAMBIC
14. Aguardientes de sustancias amiláceas.
- whisky Whisky de malta Agua con poco contenido en sales Destilado en POTSTILL Maduración en barricas de roble (vinos de Jerez)
- Ginebra Aguardiente de fermentos de maíz/centeno aromatizado con bayas de enebro ( Junniperus communis )
- Aquavit (Escandinavia) Aguardiente no aromatizado elaborado a partir de cervezas de cereales, patatas, etc.
- Vodka (“voda”, agua. Rusia, Polonia) Aguardiente no aromatizado obtenido desde una bebida fermentada de patata o centeno
- Arrack (Thailandia) Aguardiente no aromatizado obtenido desde bebidas fermentadas de arroz. Maduración en barricas de teca
- Tequila (Méjico: Jalisco) Aguardiente no aromatizado del pulque (cerveza de diferentes especies de ágave). Maduración en barricas de encina 15. Producción de vinagre: método del generador. Se trata de una metodología alemana (s. XIX, Schutzenbach) Las bacterias acéticas se colocan sobre soportes sólidos, es una Bioconversión, entra vino en forma de aerosol y entra aire a contracorriente El método usado es semicontinuo y el principal problema es la obturación del soporte, temperatura no Homogénea Proceso rápido (días), sistema duradero, obtiene hasta un 12% de ác. Acético. () Soportes sólidos: virutas de haya, mazorcas de maíz, ramas de abedul 16. Ácido cítrico por fermentación microbiana: obtención y aplicaciones. Biosíntesis por parte de Aspergillus niger de compuestos azucarados (melazas, salvado de cereales, etc.). Producción anual aprox. 550.000 Tm Glucólisis + Descarboxilación oxidativa del ác. pirúvico + Krebs. El ciclo de Krebs se bloquea al inhibirse el enzima aconitasa (en ausencia de hierro, ya que éste actúa como cofactor del enzima), se provoca así la acumulación del ácido Otras opciones: Candida guilliermondii y Yarrowia lipolytica
- Industria alimentaria Aditivo muy importante (E-330,331, 332, 333, 380): acidulante y saborizante. Sustancia GRAS (Generally Recognized As Safe)
Qacc = Qmet + Qag Qevap Qint = 0
19. Diferencias entre batch y continuo. BATCH o Discontinuo Sistema cerrado (no hay entrada/salida de productos disueltos o células, sistema en “lotes”) Excepción: anti/desespumantes, ácido/base, entrada de O2. Ventajas:
- Control sencillo/versátil
- Productividad elevada
- Equipamiento barato
- Contaminación controlada Inconvenientes:
- Procesado down stream complejo (limpieza, esterilización, altos volúmenes)
- Tiempos muertos grandes. La secuenciación de procesosdisminuye los tiempos muertos Continuo Sistema abierto (entran y salen productos disueltos y células. Entra S estéril y salen P y células) Ventajas:
- Funcionamiento ininterrumpido
- Tiempos muertos pequeños (no limpieza, no esterilización)
- Procesado down stream fácil
- No acumulación de sustancias tóxicas Inconvenientes:
- Productividad más baja que en Batch
- No se alcanza la fase estacionaria (no metabolitos secundarios)
- Riesgos de contaminación/mutación de la cepa
- Control complejo (flujo entrada/salida, tasa de dilución D, etc.)
- Menos empleado que el Batch 20. Explica la relación de la ecuación: Qacc = Qmet-Qevap-Qint = 0 ¿porque tiene que ser 0? Qacc = Qmet + Qag Qevap Qint = 0 Tiene que ser cero, para que se encuentre en equilibrio 21. Producción animicrobiana aminoglicósidos
- No la he encontrado por ningun sitio, aminoácidos si pero aminoglicosidos no lo encuentro por ningun sitio 22. Extracción de compuestos intracelulares, métodos que se usan. Son los PHA (polihidroxialcanoatos). Poliésteres de naturaleza lipídica que se acumulan en el interior del citoplasma formando gránulos en condiciones de exceso de fuente de carbono. La célula los utiliza en épocas de escasez. Longitud de los monómeros variable (C4-C18) Se produce tanto en bacterias como en arqueas. Extracción fácil: lisis celular y disolución en disolventes orgánicos (cloroformo a 50ºC).
Propiedades similares a los plásticos derivados del petróleo: empleo como sustitutivos de ello (envases, pañales, compresas higiénicas, medicina, etc.). Biocompatibles (prótesis: grapas-clavos, neoformación de huesos, liberación de medicamentos) y biodegradables (enzimáticamente) por hongos y bacterias. Se producen a partir de materias primas renovables. Debido a su gran diversidad metabólica bacteriana hay gran variedad de polímeros diferentes.
23. EPS: función, ejemplo y aplicación.
Polímeros extracelulares, mayoritariamente polisacáridos, formados por la unión de diferentes monosacáridos junto con otros sustituyentes. Producido por una gran variedad de seres vivos. Debido a sus propiedades posee múltiples aplicaciones industriales. Los microorganismos acumulan en el exterior de la célula en condiciones de exceso de la fuente de carbono formando: I) Cápsulas. II) Compuestos mucosos extracelulares. En la mayoría de los casos los monosacáridos sintetizados en el interior son secretados al exterior donde, unidos a la membrana, polimeriza. La recuperación es sencilla, tratar el sobrenadante y el precipitado con disolventes orgánicos (etanol, acetona, isopropanal). Su función biológica: III) Adhesión a sustratos (Rhizobium-leguminosa). IV) Formación de agregados celulares (microcolonias, biofilm). V) Reserva energética. VI) Protección frente a agentes externos. Aplicaciones: VII) Industria alimentaria: estabilizantes, espesantes, gelificantes, texturizante de salsas, helados, cremas, batidos, pasteles, flanes, jarabes, queso de untar, etc. VIII)Industria farmacéutica: agentes antivirales y antitumorales, suplementos plasmáticos artificiales, cosméticos, cirugías, quemaduras, dietas de adelgazamiento, adyuvante de vacunas. IX) Industria química: extracción mineral y aceites, petróleo (EOR), texturizante de pinturas, industria textil, construcción. Ejemplo: Xantano (goma xantana): Xantomonas campestris.
24. Principales grupos de bacterias de interés industrial. Principales grupos
bacterianos usados en producción industrial. Gram +:
Acetobacter
Gluconobacter Xhantomonas E. coli: alternativa B. subtillus Gram -: Bacterias lácticas Bacterias esporuladas: anaerobias estrictas. Bacterias coryneformes: proteínas de ácido glutámico o glutamato sódico (potenciador del sabor y espesante). Actinomicetos: Streptomyces Micromanospora Nocordia Arqueobacterias: todas crecen en situaciones extremas por lo que sus procesos están muy acentuados.
Trasformación: procariotas. Introducir un DNA externo en la célula receptora competente (receptiva para DNA externo). Transducción.
Conjugación: implica contacto célula-célula.
27. Formación del queso. Fases de la elaboración del queso.
I) Formación de la cuajada: a. Microbiológico mediante acidificación. b. Químico (renina). II) Maduración: a. Bacterias del Ácido láctico que al morir liberan enzimas lipolíticas y proteolíticas y le confieren al queso su aroma característico. b. Hongos: i. Superficie (Camembert). ii. Toda la cuajada (Azules). c. Bacterias del Ácido propánico (quesos suizos). Ác. láctico Ác. propánico + Ác. acético + CO 2 En los quesos alemanes la formación de la cuajada por S. lactis o L. bulgaricus y S. termophilus. En los quesos duros la renina actúa sobre la caseína en presencia de sales de Ca y la transforma en paracaseína (insoluble). Desprendimiento de un líquido verdoso con albúmina y otras proteínas sólidas.
- Coagulación de la leche entre 30 y 40ºC. el tiempo depende de: d. ph e. [Ca] f. [Enzima] g. Temperatura
- División de la cuajada lenta y cuidadosa.
- Agitación suave para disminuir el suero.
- Reposo y separación del suero.
- Salado (activar el desuero, mejorar la fermentación, sazonar el queso). Suero, Cuajada, Maduración y en Salmuera.
- Moldeado y prensado.
- Maduración. Aroma y sabor. a. Factores físicos: grado de dispersión de la grasa adecuado. b. Factores químicos: composición apropiada. c. Factores microbianos. Maduradores. d. Factores bioquímicos: vitaminas y diastasas. e. Factores ambientales: humedad y ventilación.
