Biotecnología microbiana

TambiĂŠn microbiologĂ­a industrial

Biotecnología: • Uso de microorganismos vivos o de sus productos en procesos industriales o ambientales a gran escala

Fases de la biotecnologĂ­ a microbiana:

Tecnología microbiana tradicional:  Fermentaciones alcohólicas  Producción de productos farmacéuticos , aditivos alimentarios, enzimas y sustancias químicas industriales  Biorremediación

Tecnología microbiana con organismos alterados mediante procesos de ingeniería genética: • Fabricación de hormonas • Moduladores del sistema inmune • Vacunas

Microorganism os industriales • No todos los microorganismos tienen un uso industrial

• Microorganismos industriales producen uno o más productos específicos

• Microorganismos • El microorganismo industriales son es modificado antes especialistas de ingresar a la metabólicos capaces de industria: se altera producir genéticamente por específicamente y con mutación o por un alto rendimiento, recombinación metabolitos particulares

• La fuente de todas las cepas industriales es el ambiente natural • Las cepas industriales se depositan en colecciones de cultivos que sirven como almacÊn

Requisitos de un microorganismo industrial: • • • • • • • • •

Producir la sustancia de interés Crecer rápidamente en un medio de cultivo barato Fabricar el producto en un período corto Desarrollarse en cultivo puro y en gran escala Ser estable genéticamente pero susceptible de manipulación genética Cultivos que se mantengan durante períodos largos en laboratorio y en planta industrial Facilidad para inocular en grandes fermentadores No debe ser peligroso para el hombre o las plantas y animales de interés económico Posibilidad de retirar fácilmente las células del cultivo

Clases de productos industriales

Metabolitos Enzimas microbianos Digestión de • • • • • • • •

Alcohol Ácido acético Ácido láctico Aminoácidos Vitaminas Antibióticos Esteroides Alcaloides

almidones, lípidos y proteínas Síntesis de antibióticos semisintéticos

Células microbianas • Proteína unicelular: levaduras, algas, bacterias y hongos • Células para la inoculación:bacteri as fijadoras de nitrógeno, micorrizas, inóculos para la fermentación de lácteos y embutidos

Clasificación de los productos industriales según su uso: • Productos farmacéuticos de origen microbiano • Biotecnología microbiana en agricultura • Sustancias químicas y aditivos alimentarios • Productos químicos comerciales y producción de energía • Biorremediación

Productos farmacéuticos de origen microbiano • • • • • • • • • •

Antibióticos Hormonas esteroides Insulina Hormona del crecimiento Linfocinas Péptidos neuroactivos Factores de coagulación sanguínea Activador del plasminógeno tisular Vacunas Anticuerpos monoclonales para diagnóstico y terapia

Biotecnología microbiana en agricultura • Productos farmacéuticos veterinarios de origen microbiano • Inóculos radiculares • Ingeniería genética de plantas mediada por microorganismos como portadores genéticos

Sustancias químicas y aditivos alimentarios Sustancias especiales y aditivos alimentarios: • Aminoácidos: – Glutamato: potenciar el sabor – Aspartato+alanina: modular el sabor de jugos de frutas – glicina: mejorar el sabor de alimentos dulces – Aspartame: endulzar – Lisina y metionina: aditivos nutrivos – Cisteína antioxidante de jugos de frurtas – Triptofano + histidina: evita la rancidez de los alimentos

• Vitaminas: rivoflavina, vitamina B12, vitamina C

Productos químicos comerciales y producción de energía Productos químicos comerciales de estructura sencilla y bajo valor monetarios • Etanol (combustible para motores) • Ácido acético • Ácido láctico • Glicerol

Crecimiento y formación de productos industriales Sustrato para el crecimiento Células Sustrato para el crecimiento Células

Metabolito primario Metabolito Secundario

Metabolito primario Sustrato para el crecimiento Células Metabolito secundario

Metabolito primario

Fermentaciones

• Para procesos industriales, se usan fermentadores de hasta de 400.000 litros de capacidad • Los fermentadores son construidos de acero inoxidable y tienen una camisa externa la cual puede ser esterilizada inicialmente y enfriadada durante la fermentación.

• Spargers e impellers en el vessel son usados para la aireación y revolver el contenido.

• The vessel may contain various devices for monitoring the environmental conditions within the culture, so that these factors can be controlled to obtain high product yields.

• El proceso puede ser aeróbico o anaeróbico.

• En general, mayor dificultas en procesos aeróbicos que necesitan una adecuada airreación del tanque que contiene altas concentraciones de biomasa

Producción de productos de mamíferos por microorganismos modificados por ingeniería genética Desarrollo de un proceso biotecnológico: • Si el gen o los genes que codifican para la producción de una proteína de mamífero se pueden clonar dentro de un microorganismo • Si se obtiene una buena expresión de este gen

Productos biotecnológicos fabricados por DNA recombinante Proteínas de sangre para: – Disolver coágulos – Promover la coagulación sanguínea – Desarrollar glóbulos rojos

Hormonas para: – – – – –

Tratamiento de diabetes Regulación del calcio Alivio del dolor Osteoporosis Diuréticos y antihipertensivos

Moduladores inmunes: – Estimulantes de las células T – Activador de células B – Agentes antivirales, anticancerígenos, antitumorales, antiinflamatorios – Tratamiento de infecciones

• Vacunas: – – – – – –

Prevención de infección Hepatitis B Sarampión Cólera Rabia Sida (no en el mercado, sólo en experimentación)

• Antícuerpos monoclonales: – Proteínas específicas que reconocen y se fijan a un solo antígeno • Tratamiento de cáncer, deshacerse de sustancias químicas tóxicas de las células tumorales • Tratamiento de enfermedades cardíacas: destruir coágulos de sangre catalizados por plaquetas • Diagnóstico clínico: embarazo y enfermedades humanas y animales No todos los productos están en el mercado

El biofilm

• Se forma cuando en medio acusoso las bacterias se adhieren a las superficies en ambientes acuosos y empiezan a excretar un limo: • Una sustacia pegajosa que puede sujetarse a toda clase de material (metales, plástico, partículas de suelo, materiales de implemento médicos y tejidos.

• Un biofilm puede estar formado por una sola especie de bacteria • Más a menudo consiste de muchas especies de bacterias, hongos, algas, protozoos, de residuos y productos de la corrosión.

• Aunque pegados a una superficie, los microorganismos del biofilm llevan a cabo una variedad de reacciones benéficas o perjudiciales, desde el punto de vista humano  modifican las condiciones ambientales que lo rodean.

โ ข Esquematizaciรณn de la formaciรณn del biofilm P.Dirckx

Qué importancia tiene el biofilm para la industria?

• Biofilm en una membrana de ósmosis inversa

Los biofilms microbianos sobre las superficies cuestan billones de pesos al año en equipo dañado, productos contaminantes, pérdida de energía e infecciones médicas.

• Los métodos convencionales para matar bacterias (antibióticos y desinfección) son a menudo inefectivos contra las bacterias del biofilm.

Las enormes dosis de agentes antimicrobianos requeridas para liberar los sistemas del biofilm: • Son ambientalmente indeseables ( y quizás no permitidas por las regulaciones ambientales) • Médicamente impracticables (aunque matan las bacterias del biofilm, también matan el paciente).

• Así nuevas estrategias basadas en un mejor conocimiento de cómo las bacterias se sujetan, crecen y se desprenden son una urgente necesidad para muchas industrias y para la bioremediación.

• Los procesos microbianos sobre superficies también ofrecen oportunidades por sus efectos industriales y ambientales positivos: – Bioremediación en sitios con residuos peligrosos – Biofiltración industrial del agua – Biobarreras para proteger el suelo y las aguas subterráneas de contaminación.

• La ubicuidad y el significado del fenómeno biofilm es confirmado por el interés de industrias: – Petróleo – Especialidades químicas – Minas – Agua para bebida – Productos de limpieza – Empresas de servicios públicos

Se necesitan investigaciĂłn interdisciplinaria y educaciĂłn para crear mĂŠtodos de uso industrial en desarrollo de productos y ayuda a quienes la necesiten.

Areas de Investigación Fundamental sobre biofilms: • Entendimiento de porqué los microorganismos del biofilm son más dificultosos de matar en comparación con microorganismos suspendidos.  Características moleculares y genéticas de los microorganismos del biofilm.  Estructura y función de un biofilm.  Fenómenos de sujetamiento de los microorganismos del biofilm.  Métodos analíticos del biofilm.

• Modelación de la actividad del biofilm.

Ejemplo de necesidades de investigación en relación al biofilm:  Investigación y campos de aplicación de tecnologías para el control de microorganismos fermentadores en campos petroleros.  Investigación y evaluación de productos potenciales para control del biofilm en drenajes de fregaderos, inodoros, piscinas y otros ambientes domésticos.  Evaluación de coberturas anti-infectivas sobre vendas para heridas, catéteres, válvulas cardíacas y otras superficies relacionadas con la práctica médica.

 Desarrollo de tecnologías de biobarreras y bioremediación.  Investigación sobre el impacto del crecimiento renovado del biofilm en los sistemas de distribución de agua potable  Desarrollo de tecnologías para el control del biofilm asociado a la corrosión

 Investigación del impacto y el control de biofilm en membranas de tratamiento y desalinización del agua.  Evaluación de la penetración de biocidas dentro del biofilm.  Determinación del papel del biofilm en el origen del "agua azul" en sistemas de distribución de agua potable que usan tuberías de cobre.  Desarrollo de tecnologías bioeléctricas para el control o incremento del biofilm en aplicaciones médicas.

Biorremediación:

Aplicación industrial de la biotecnología ambiental: • Biodegradación: Microorganismos para la degradación de sustancias químicas de desecho tóxicas o indeseables, xenobióticas no recalcitrantes • Futuro: microorganismos modificados genéticamente para degradar recalcitrantes

MĂŠtodos de tratamiento de aguas residuales antes de su eliminaciĂłn o

Tratamientos anaerobios Se utilizan para: • Estabilización de lodos • Desperdicios sólidos en vertederos • Tratamiento de agua industriales y domésticas con alta DBO

Proceso: • Requiere de interacciones sinérgicas entre cuatro grupos microbianos: – – – –

I. Bacterias hidrolíticas II. Bacterias fermentadoras III. Bacterias acetogénicas IV. Bacterias metanogénicas

COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS Proteínas, carbohidratos y lípidos Hidólisis por exoenzimas de: bacterias fermentativas, Protozoos, levaduras y mohos COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES

Azúcares, aminoácidos, péptidos Acidogénesis por exoenzimas de: bacterias fermentativas ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGA Propiónico, butírico .(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato)

Acetogénesis:bacterias acetogénicas

H2, CO2 Metanogénicas: Bacterias metanogénicas reductoras (autótrofos)

Ácido acético (Acetato)

CO

CO

2

CH

4

2

Metanogénicas: Bacterias metanogénicas acetogénicas

Digestores anaerobios Líquido Líquido

CH4, CO2 Gas Efluente Filtro

Influente

Factores que controlan digestión anaerobia 1. Temperatura 2. Tiempo de retención hidrolítica

(TRH o HRT,

hydrolic retention time)

3. pH 4. Composición del desperdicio 5. Competencia con bacterias productoras de sulfuro (respiradoras de azufre).

6. Tóxicos (oxígeno, amoníaco, solventes clorinados, benceno, formaldehído, ácidos volátiles, etc.)

Ventajas: 1. No requiere oxígeno.

2. Menos energía invertida en el proceso.

3. Produce metano.

4. Produce de 3-20 veces menos lodos que tratamiento aerobio (20-150 vs. 400-600 kg biomasa/m3 DQO).

5. Eficiente a elevadas cargas de DBO. 6. Preservación de actividad aun cuando el sistema no operare por largos períodos de tiempo.

7. Remoción de hidrocarburos clorinados, co-metabolismo, etc.

Desventajas: 1. Más lento que tratamiento aerobio (requiere > tiempos de contacto o sea > tiempos de retención hidráulica).

2. Más sensitivo a choques tóxicos.

3. Requiere mayor tiempo de aclimatación.

Procesos de tratamiento combinado en pequeña escala tipo Jokaso

Contact anaerobic room

• Restaurantes y hoteles (50 personas) • La calidad del efluente puede llegar a tener 20 mg/l omenos de DBO.

• Método del filtro anaerobio y contacto aerobio •

http://www.apec-vc.or.jp/co-op/s_pollution/index.htm

Pozo séptico

Pozo séptico

Conductos de distribución

Línea de drenaje Trampa de grasas

Campo de absorción

Trampa de grasas Remueve entre: • 80 - 70% de materiales hidrofóbicos • 40 - 50% de grasa emulsionadas

Tratamientos Biolรณgicos Aerobios Gran parte de la materia orgรกnica disuelta se mineraliza a CO2, H2O y biomasa (sรณlidos que pueden ser removidos)

Tratamiento de aguas residuales: Trata. 1rio + Trata. 2rio = Remoción 80-90% DBO

Posterior a un tratamiento de sedimentación primaria  los desperdicios que contienen materia orgánica disuelta son transferidos a un tanque aireado mecánicamente  Durante este proceso, las poblaciones heterotróficas se desarrollan vigorosamente y predominan en el tanque.

Tipos de tratamientos aerobios: 1. Crecimiento suspendido – Lagunas de oxidación (disperso) – •Lodos activados (agregados)

2. Biopelículas – • Filtros de goteo (Zooglea ramigera) – • Biodiscos (Filtros RBC): – (Sphaerotilus, Beggiatoa, Nocardia, Oscillatoria, Desulfovibrio) – Filtros aerobios sumergidos – Reactores de lecho fluidizado

Tratamiento aeróbico secundario de aguas residuales:

Agua residual Cribado Sedimentación Lodo insoluble

Lodo soluble

Digestión anaeróbica

Oxidación

Lodo digerido:

Desinfección

Incineración Procesos no biológicos

Procesos biológicos

Efluente tratado al río

 Lodos activados

Filtros de flujo lento

Lodos activados: Tanque de

Criba aclimatación Efluente

Tanque de Clarificador aireación Descarga de agua Exceso de lodo Tortas

Tanque de concentración

Deshidratador

• Método de tratamiento continuo

Tratamiento con lodos activados

• Se forman flocs de microbios en los cuales la materia orgánica es a la vez adsorbida y oxidada.

• Los flocs sedimentan en un tanque agujereado, y son incorporados a un digestor de lodos anaerobios, donde el material orgánico restante es es convertido en productos gaseosos.

• Filtros de flujo lento

Diversidad Microbiana de los lodos activados: Bacterias         

Escherichia coli Enterobacter Pseudomonas Achromobacter Flavobacterium Zooglea Desulfovibrio Sphaerotilus Filamentosas: Beggiatoa, Nocardia, Oscillatoria

• Protozoarios ciliados (Vorticella) • Hongos y levaduras ( Menor densidad)

Parámetros físico-químicos que afectan los lodos activados:  pH  Temperatura  Nutrientes  Viscosidad  Potencial redox  Habitabilidad del ambiente

 Relación alimento/ microorganismos  A/M: importante parámetro de diseño  A/M:  [DBO (kg/m3) x Flujo (m3/d)]  [Sólidos Reactor (kg/m3) x Vol (m3)

• Remoción en diferentes tipos de aireación: Aireación extendida: • (0.03 < A/M < 0.8): > 90% remoción DBO Convencional: • (0.8 < A/M < 2): 80-90% remoción DBO Alta rata: • (A/M > 2): <80% remoción DBO

Sedimentación secundaria Tiempo medio de residencia celular (MCRT :Mean Cell Residence Time)

Floculación biológica:

Crecimiento disperso:

• Proceso natural que ocurre bajo condiciones físico/química específicas.

• No ocurre floculación • La sedimentación sería imposible.

El tiempo medio de residencia de los lodos es un importante determinante de la floculación de la biomasa por gravedad  (separación de microorganismos del efluente tratado).

• Usualmente el tiempo de residencia es de al menos 3 días, pero menor de 15 días • Por fuera de este rango disminuye la capacidad de compactación del lodo.

Capacidad de Clarificación: • Un mayor crecimiento disperso influye en la calidad del efluente, pues determina mayor concentración de sólidos suspendidos y más dificultad para la clarificación.

Capacidad de Compactación: • Es la taza de sedimentación de los lodos concentrados • Determina la efectividad del clarificador Grado de compactación = [volumen ocupado por 1 g de lodo después de 30 min]

• " BULKING" o entumecimiento del lodo:

• Formaçión de espuma en los decantadores de lodos activados.

• Los flóculos formados poseen poca densidad y suben a la superficie en vez de sedimentar.

Problemas en la sedimentación (Bulking )

1.  MCRT (tiempo de residencia) 2.  C:N & C:P 3.  Niveles de oxígeno disuelto 4. Biológico: sobrecrecimiento de bacterias filamentosas como Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiotrix, Bacillus, hongos filamentosos como Geotrichum, Cephalosporium, Cladosporium & Penicillum

Filtros de goteo

â&#x20AC;˘ Para efluentes con DBO baja y muy variable.

• Los filtros por goteo han sido adoptados por la industria alimentaria y tintorera

• Efecto del tratamiento: se espera entre un 75 - 80% de remoción de DNO y 60 - 70% de DQO

• Los costos de equipamiento y operación menos caros que los de lodos activados

• Flujos bajos para concentrar materia orgánica del efluente y permitir la formación del biofilm sobre el lecho filtrante.

Biodiscos Rotating Biological Contactor (RBC)

Consultar: • http://www.state.sd.us/denr/DES/P&S/designcriteria/design-10.html • http://www.apec-vc.or.jp/co-op/s_pollution/docs/s3_9_1.htm

• Se espera que los biodiscos remuevan entre el: – 75 - 90 % de de DBO – 60 - 70 % de DQO.

• Costos: El equipo es más caro que el de los lodos activados. El costo de operación es bajo, sólo el que se necesita para la rotación de los discos • Se necesita tiempo de aclimatación para que se forme el biofilm grueso y anaerobico

• Malos olores debido al H2S y otros