LIBRO DE MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL PDF

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Microbiología Industrial y Alimentaria ¿Que es la microbiología industrial? La microbiología industrial es la microbiología que estudia la aplicación de la biotecnología de los microorganismos en la industria. Esto implica la utilización de sistemas biológicos en diferentes procesos industriales. En...

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Microbiología Industrial y Alimentaria

¿Que es la microbiología industrial? La microbiología industrial es la microbiología que estudia la aplicación de la biotecnología de los microorganismos en la industria. Esto implica la utilización de sistemas biológicos en diferentes procesos industriales. En general puede abarcar diferentes ámbitos: -

Fabricación de diferentes compuestos orgánicos.

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Transformación de productos, hecho que cada día tiene más importancia, puesto que las reacciones mediadas por los seres vivos ocurren en condiciones de presión, temperatura,... normales. Por lo tanto puede ser más barato el uso de seres vivos, ya que no se requieren condiciones especiales. Además, en muchos casos serán reacciones más eficaces que las químicas. Se ha de tener en cuenta siempre que la industria buscará la mayor eficiencia posible y la reducción de costes, ya que lo que interesa es tener beneficios.

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Reacciones con compuestos inorgánicos, como puede ser el caso de la lixiviación de metales.

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Producción de biomasa, con diferentes finalidades. A menudo el producto final de las reacciones son los propios microorganismos, por su valor en alimentación humana, como Saccharomyces,... o animal, como las SCP.

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Degradación de sustancias, como puede ser la depuración de aguas, el tratamiento de residuos,...

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Biosensores, determinación de la presencia de sustancias, mediante sistemas biológicos. También puede servir en los controles de calidad. Está adquiriendo una gran importancia en los últimos años, ya que es una muy importante herramienta de análisis. Microbiología Industrial

Microbiología Alimentaria

Considera la parte positiva de los Considera la parte negativa de los microorganismos. microorganismos, sus posibles aplicaciones. La La microbiología alimentaria aborda principalmente microbiología industrial va encaminada a 3 2 problemas. grandes áreas: - Los alimentos no pueden causar - Servicios, como eliminación de residuos enfermedades al ser ingeridos. Es básica en un alimento su inocuidad, que no provoquen - Producción de sustancias de interés perjuicios al ser humano, por la presencia de económico organismos patógenos en ellos. - Análisis, en el desarrollo de biosensores - Los alimentos han de poder conservarse durante un cierto tiempo, no se pueden La microbiología industrial se centra en los estropear por la acción de organismos en posibles beneficios que se pueden obtener del uso ellos, o como mínimo retrasar la degradación. de microorganismos en procesos industriales. La microbiología alimentaria se preocupa por la alteración de los alimentos por la acción de los microorganismos desde el punto de vista sanitario y organoléptico.

Biotecnología Ambos tipos de microbiología abarcan diferentes aplicaciones de la biotecnología. La idea de la biotecnología surge en los años 20, ligada a la producción de alimentos. Tuvo su auge en los años 50, centrada en la producción de plásticos e hidrocarburos. La biotecnología será por lo tanto el uso integrado de la bioquímica, la biología y la ingeniería química para conseguir aplicaciones tecnológicas de los sistemas biológicos y los cultivos celulares. Una nueva definición de biotecnología actualmente dice que la biotecnología es el conjunto de procesos industriales donde se utilizan organismos obtenidos mediante DNA recombinante y otras técnicas genéticas.

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Existen diferentes definiciones de biotecnología: Biotecnología Manipulación de organismos vivos, sobre todo a escala genética, para obtener productos útiles. Según esta definición, parece que la microbiología industrial no sería biotecnología.

Combinación de procesos industriales donde se usan sistemas biológicos obtenidos mediante DNA recombinante u otras técnicas de manipulación genética. Se aproxima más a la microbiología industrial, pero no es adecuada aun.

Uso integrado de la bioquímica, microbiología y de la ingeniería química con el fin de obtener productos útiles y aplicaciones tecnológicas de los microorganismos, cultivos celulares y otros sistemas biológicos. Esta es la definición más adecuada a los contenidos de la microbiología industrial y alimentaria.

De hecho distinguimos 2 clases de biotecnología. Biotecnología tradicional o clásica (Industrial) Es la rama de la biotecnología que obtiene producción a gran escala, con costes reducidos. Sus principales productos son alimentos o ingredientes saborizantes, alcohol industrial, antibióticos y ácido cítrico. Se trata de producción en toneladas y se valora en aproximadamente 3·1010 $ anuales Nueva biotecnología o biotecnología fina Se concentra en la fabricación de productos al detalle. Producción de tan solo kilogramos al año, pero son productos de un gran valor añadido, como pueden ser insulina, interferón, enzimas,... Se requiere el uso de técnicas más nuevas de ingeniería genética y de la fusión de células para obtener organismos capaces de generar los productos deseados. Hacia 1989 la biotecnología fina generaba aproximadamente 109 $ al año, pero cada vez representa una mayor fracción de la industria total. Esta división no quiere decir que la biotecnología clásica no utilice las más modernas técnicas de ingeniería genética, ya que si son necesarias, se usan. Ni tampoco quiere decir que en la biotecnología fina no se usen los conocimientos adquiridos tras tantos años de trabajo en la biotecnología tradicional. En realidad, el ser humano aprovecha las reacciones mediadas por los microorganismos desde hace siglos: Año 20000 aC 6000 aC 3000 aC

2600 aC 1800 aC 1100 aC 79 dC 1070 1133 1150 1300 1650

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Producto, proceso o descubrimiento Bebidas alcohólicas por fermentación de diferentes zumos de frutas en pueblos primitivos Cerveza y pan en Mesopotamia, Egipto y China Cultivo de viña en el sur del Cáucaso Leches fermentadas y quesos en oriente medio Tecnologías de vinos y cervezas en Egipto y Sumeria Vinagre a partir de zumos fermentados Tecnología del vino fermentado en Egipto Vino: Noé, babilonio Upnapishtim Cerveza en el Segrià Quesos azules Queso Roquefort Cerveza con lúpulo: Santa Hildegarda Espíritu del vino Arnau de Vilanova: alcohol Vinagre industrial en Orleáns Cultivo de champiñones en Francia

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1680 1700 S. XIX S. XX 1920

Leeuwenhoek: visión de células de levaduras Primeras cervecerías industriales Nacimiento de la microbiología con Pasteur

1ª Guerra Mundial. Los alemanes ponen a punto la tecnología necesaria para la fermentaciones a escala industrial, para la producción de disolventes orgánicos. 1940 2ª Guerra Mundial. Fleming descubre la penicilina. Se hacen importantes descubrimientos en ingeniería, como técnicas de esterilización y se perfeccionan las técnicas de mejora de cepas. 1940 – 1960 El producto estrella de la biotecnología son los antibióticos. También se desarrolla la transformación de los esteroides y se perfeccionan los cultivos de células animales para el desarrollo de vacunas víricas. 1960 – 1970 En Japón se desarrolla la tecnología para la producción de aminoácidos y 5’ nucleósidos, estimulantes del sabor. Se perfecciona la producción de enzimas, así como las técnicas de inmovilización de células y enzimas. Se mejoran las fermentaciones en continuo, para la producción de SCP. 1975 Aparición de la tecnología del DNA recombinante. Producción de insulina humana en E. coli.

Aplicaciones de los microorganismos en la industria Producción de metabolitos primarios y de productos relacionados Bebidas alcohólicas Vinos Cervezas Etanol Etanol industrial Ácido láctico Productos lácticos Leches fermentadas Quesos Embutidos Vegetales fermentados: col ácida,... Ácido acético Vinagre Ácido cítrico Ácido propiónico Quesos Emmental Alimentos orientales fermentados Salsa de soja, miso, kimchi, sutu, tempeh,... Aminoácidos L – Glutámico L – Lisina Producción de metabolitos secundarios Antibióticos β – lactámicos Tetraciclinas Peptídicos Aminoglicósidos Alcaloides Ergotamina Pigmentos Astaxantina Producción de otros componentes biológicos Polisacáridos Dextrano Xantano Bioplásticos Polihidroxialcanatos Vitaminas B12 Riboflavina Transformación de esteroides

Saccharomyces

Lactobacillus Bacterias lácticas

Acetobacter Aspergillus Propionibacterium Floriduras y bacterias lácticas Corynebacterium

Penicilium Streptomyces Bacillus Streptomyces Claviceps Phaffia Leuconostoc Xanthomonas Alcaligenes Pseudomonas Ashbya Floriduras Streptomyces 3

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Aplicaciones ambientales Depuración de aguas residuales

Fangos activos

Biodegradación de hidrocarburos

Bacterias aerobias Protozoos Bacterias anaeróbicas Arqueas Metanógenes Pseudomonas

Análisis de glucosa Tests de Toxicidad ambiental Test de Ames

Aspergillus Photobacterium Salmonela

Levadura de panificación Proteína unicelular bacteriana Proteína unicelular de levaduras Microalgas

Saccharomyces Methylophilus Candida Chlorella Scenedesmus Spirulina Bacillus Paecilomyces Morchella

Depuración de materia orgánica Biodigestión anaerobia semisólida Biodegradación de xenobióticos Aplicaciones analíticas Biosensores Bioensayos Tests mutagénicos Producción de biomasa microbiana Microorganismos unicelulares

Esporas bacteriana Biomasa fúngica

Bioinsecticidas Proteína unicelular fúngica Cultivo de setas Producción de enzimas y otras proteínas Amilasas Enzimas Proteasas Hormonas Insulina humana Otras proteínas Interferón humano

Aspergillus Bacillus Escherichia Escherichia

Sistemas biológicos usados en la microbiología industrial Un biocatalizador es un agente biológico que se utiliza en la obtención de un producto o servicio de interés biotecnológico. En la microbiología industrial se usan diferentes tipos de agentes biológicos. Microorganismos: Son los sistemas biológicos más usados en la microbiológica industrial. Se trata de bacterias, hongos, protozoos y virus. Esporas: En ocasiones el sistema biológico de interés para producir el producto o el servicio son las esporas, como en el caso de los bioinsecticidas. Obtendremos las esporas a partir de cultivos celulares. Enzimas y otras proteínas. Cultivos celulares. Podemos usar cultivos celulares vegetales o animales para la fabricación de productos o la obtención de servicios, como por ejemplo el uso de hibridomas para la obtención de anticuerpos monoclonales. En ocasiones se pueden usar solo algunos orgánulos. Los microorganismos presentan una serie de ventajas sobre los otros posibles sistemas biológicos. -

Tienen una elevada diversidad metabólica y una gran plasticidad. Siempre existirá algún microorganismo que pueda hacer la reacción que se desea en un determinado momento. El único problema es que se ha de encontrar el microorganismo más adecuado. Se cree que se conocen tan solo 1/3 de los microorganismos existentes en el mundo.

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Son extremadamente fáciles y baratos de cultivar. o

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Crecen sobre sustratos baratos. En ocasiones pueden crecer sobre residuos de otras empresas, como papeleras, cárnicas,...

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o

Las condiciones de cultivo son baratas de obtener y mantener, en comparación con las que se necesitaría para las transformaciones químicas. No es necesario normalmente incrementar la temperatura ni la presión. En muchos casos son los propios organismos los que provocarán un cambio de la temperatura. En ocasiones será incluso necesario refrigerar.

Productos y servicios que puede ofrecer la microbiología industrial 1.

Producción de células, como por ejemplo levaduras o algas con diferentes finalidades. La levadura será necesaria para la producción de pan. Las células se usan generalmente para la alimentación, tanto humana, como en el caso de hongos o algas, como animales, como es el caso de la SCP, para formar parte del pienso, o para ser directamente el pienso. Otras veces se producirán células, pero sólo se aprovechará una parte, como puede ser el caso de las esporas para los bioinsecticidas.

2.

Enzimas y otras proteínas de elevado valor añadido. Existen muchos enzimas que pueden entrañar interés para su producción industrial, y con diferentes usos posibles. Incluso otros tipos de proteínas pueden ser útiles, como la insulina, el interferón,...

3.

Metabolitos primarios y secundarios. Tanto un tipo como el otro pueden tener interés aplicado. Los metabolitos primarios son componentes relacionados con la síntesis de células microbianas, con su crecimiento. Aumentan en paralelo al crecimiento celular, o incluso de manera solapada. Son por ejemplo los productos finales de las fermentaciones como el etanol o los ácidos orgánicos. Los metabolitos secundarios suelen acumularse en la fase que sigue a la fase de crecimiento activo, la trofofase, que es la que se denomina idiofase. Las sustancias que se producen en la idiofase no tienen relación directa con la síntesis de materiales celulares, ni con el crecimiento. Son sustancias que no son básicas para el crecimiento. La trofofase y la idiofase no son fases del crecimiento bacteriano, sino que son solo fases de la producción de metabolitos, pueden coincidir con las fases de crecimiento, pero no son lo mismo.

4.

Otros productos. Los anteriores son los productos de mayor importancia, pero existen otros productos, como:

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polisacáridos, que tienen muchos usos, como por ejemplo aditivos alimentarios.

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Bioplásticos

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Ciertas vitaminas

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Transformación de microorganismos. Se obtienen un producto, pero el microorganismo no lo ha sintetizado todo, sino que tan solo ha realizado un par de reacciones sobre él. Es el caso de los esteroides, ácidos grasos,... Pueden tener un gran valor añadido.

Depuración de residuos. Los ecosistemas tienen inercia y plasticidad. Cuando sufren alteraciones tienden a recuperarse. La actividad humana altera los ecosistemas, mediante la industria, por ejemplo. La industria que se instala al lado de un río y usa el agua de este como refrigerante está produciendo en el río una contaminación física, ya que está alterando un factor básico, como es la temperatura del río. El río continuará fluyendo y pasados unos kilómetros, habrá vuelto a la temperatura que tenía antes de pasar por la fábrica, ha conseguido restaurar el factor temperatura. Los ecosistemas tienen capacidades de regeneración y recuperación, pero la actividad humana actualmente ha superado con creces esta capacidad, por lo que los ecosistemas estarán permanentemente contaminados. Todo esto ha llevado al desarrollo de tecnologías de depuración, que tratan de reducir el impacto de la actividad humana sobre los ecosistemas. Estas nuevas técnicas se basan en la mimetización de los procesos que tienen lugar en el río, pero aumentando la concentración o la intensidad, como en el caso de las plantas de lodos activos. -

Aguas residuales. En los países desarrollados hay una elevada producción de aguas residuales, ya sean de origen doméstico o industrial. Un elevado porcentaje de esta agua será tratado biológicamente. El objetivo de estos procesos es la eliminación de la materia orgánica del agua, que no eliminarla directamente. Actualmente las aguas residuales se tratan siguiendo una serie de procesos aeróbicos clásicos, como son: o o o o

Lodos activos Lechos bacterianos Lagunas facultativas Reactores de células inmovilizadas 5

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Estos procesos hacen que la materia orgánica en suspensión en el agua se elimine por procesos de sedimentación. Esto genera lodos, lo que implica que las plantas de depuración de aguas eliminan residuos líquidos, pero los producen sólidos, que deberán ser tratados como otros residuos sólidos.

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Residuos sólidos. Son otro gran problema de los países desarrollados. Estos residuos pueden ir desde la simple basura del hogar, hasta los lodos resultantes de la depuración de aguas, pasando por residuos agrícolas e industriales. Los residuos sólidos se someten normalmente a procesos de digestión anaerobia. Este tipo de digestión reduce el volumen de los residuos. En condiciones de anaerobiosis, una buena parte del sustrato a partir del cual crecen las bacterias deberá ser dedicado a la obtención de energía, de manera que el crecimiento de bacterias a partir del sustrato es bajo. Los residuos orgánicos pasan a ser casi totalmente CH4 y CO2, lo que se conoce como biogas. El metano producido puede ser un combustible, por lo que puede ser usado como fuente de energía, pero puesto que el principal objetivo es la reducción del volumen de residuos y su estabilización, la producción de metano no está optimizada, aunque se debe aprovechar el que se produzca.

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Xenobióticos. Además de los residuos cotidianos, eventualmente se producen vertidos puntuales de xenobióticos. Se trata de productos producidos químicamente por el hombre, no producidos por ningún ser vivo, y que no pueden ser degradados por ningún ser vivo. También pueden darse vertidos de sustancias recalcitrantes, que son de difícil y lenta degradación. Se han descubierto una serie de organismos capaces de degradarlos, que son inoculados cuando se produce un vertido. El problema de los xenobióticos se está haciendo desgraciadamente cada día más común. Un problema que se encuentra también es que para recalificar el suelo industrial a urbanizable, mucho más rentable, este debe estar limpio de productos xenobióticos.

Aplicaciones analíticas. Existe la posibilidad de usar microorganismos como biosensores. Se pueden usar tanto los microorganismos vivos, como sus enzimas u orgánulos unidos a electrodos de manera que las reacciones biológicas devengan corrientes eléctricas. Esto permite medir concentraciones de compuestos específicos en diferentes entornos, detectando contaminantes, aditivos en alimentos,... Los biosensores han despertado un gran interés, pero aún se están poniendo a punto. Otro uso analítico de los microorganismos son los bioensayos, que consisten en la determinación de una sustancia biológicamente activa, ya sea conocida o no, sobre material vivo. No todos los bioensayos implican el uso de microorganismos. Antes de producir una sustancia a escala industrial, deberemos realizar con ella una serie de bioensayos, que mida una serie de factores de dicha sustancia. -

Biodegradabilidad. Toda sustancia que sea producida a gran escala industrialmente, en cantidades de toneladas, ha de ser biodegradable, porque si no lo fuese se acumularía muy rápidamente en los ecosistemas. Se han de hacer una serie de ensayos en el laboratorio que demuestren dicha biodegradabilidad. En términos legales, cuando hablamos de biodegradable, en realidad nos referimos a que el 70% del producto es biodegradable, pasando a ser tan solo agua y dióxido de carbono. El 30% restante no se degradará y su composición permanecerá desconocida. Esto es lo que estipula la ley.

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No toxicidad al medio. Las sustancias que van al medio no han de alterar la salud del ecosistema. Existen dos tipos diferentes de ensayos de toxicidad. o

Agudos: Se expone al ser vivo al producto en cuestión a una concentración muy elevada, durante un período breve de tiempo de su vida, por ejemplo, si calculamos una vida de 40 años, el período breve serían 5 minutos

o

Crónicos: Se expone al individuo a concentraciones bajas del producto durante un largo período de su vida, pudiendo incluso llegar a tratar a sus descendientes para ver el efecto en estos.

Se han de hacer pruebas p...