Tema 1 - Escuela de Ingenierías Industriales

Programa de Química Industrial Alimentaria.
Biotecnología.
Número de Créditos: Total 6
Curso: Quinto, primer cuatrimestre
Teóricos: 4,5 Laboratorio: 1,5
Carácter: Optativa
Aula:
El programa de Química Industrial Alimentaria. Biotecnología se debe regir por
el siguiente descriptor:
Principios básicos de la biotecnología. Biotecnología de las fermentaciones. Tecnología
de las enzimas. Industrias Agroalimentarias.
BREVE DESCRIPCIÓN
Conocimiento de los fundamentos y principios básicos de la Biotecnología.
Estudio de los procesos de fermentación a nivel industrial y de las aplicaciones
industriales de la Biotecnología.
Productos biotecnológicos que se obtiene en las industrias agroalimentarias.
OBJETIVOS
Que el alumno, al final del curso, conozca:
 Los principios básicos de la Biotecnología.
 Las principales aplicaciones industriales de los procesos de Fermentación y
de la Tecnología Enzimática.
 Las industrias agroalimentarias.
 El manejo de las fuentes bibliográficas relativas a la disciplina.
PROGRAMA DE LABORATORIO
Visitas a instalaciones industriales relacionadas con la temática del curso.
Prácticas relacionadas con la asignatura.
CRITERIOS DE EVALUACIÓN
Examen escrito. Realización de prácticas. Trabajo monográfico: exposición y
defensa del mismo.
Programa de
QUÍMICA INDUSTRIAL ALIMENTARIA. BIOTECNOLOGÍA
Indice General
FUNDAMENTOS Y PRINCIPIOS
1.-Introducción a la biotecnología e importancia en la Industria Alimentaria.
2.-Conceptos básicos de microbiología: Tipos de organismo celular. Procesos químicos en la célula. Metabolismo
y crecimiento microbiano.
3.-Componentes estructurales básicos de la célula: Carbohidratos, grasas y lípidos, esteroides, proteínas y ácidos
nucleicos.
4.-Procesos de la fermentación: Materias primas, medios de cultivo, cinética y sistemas de fermentación.
5.-Biorreactores: Diseño. Aireación y agitación. Esterilización. Escalonamiento de fermentaciones.
6.-Procesado de la corriente de salida: Separación y purificación.
APLICACIONES INDUSTRIALES:
7.-Producción de Biomasa: Proteína unicelular.
8.-Transformación y producción de alimentos por fermentación.
9.-Productos industriales obtenidos por procesos Biotecnológicos: Compuestos químicos, aditivos alimentarios y
productos para uso médico
10.-Tecnología de los enzimas:. Producción y purificación de enzimas. Aplicaciones en la industria alimentaria.
11.-Tratamiento de residuos: Tratamiento de agua por métodos biológicos.
12.-Industrias Agroalimentarias de la Región de interés.
Un proceso industrial se desarrolla con éxito cuando se pasa de manera adecuada
desde la idea original, que se prueba a nivel de laboratorio, hasta el proceso a gran
escala. Ello no consiste simplemente en aumentar la cantidad de material calculada para
el proceso original, sino que se deben tener en cuenta otros parámetros que consideren
los problemas que surgen al trabajar a gran escala. Ello lleva consigo que las técnicas y
materiales que se utilizan en el proceso industrial son bastante diferentes de los
utilizados en el sistema original a pequeña escala.
Bibliografía:
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García Garibay, M.; Quíntero Ramirez, R.; López-Munguía Canales, A.
Biotecnología Alimentaria. Editorial Limusa, S. A. 1993.
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Badui Dergal, Salvador
Química de los alimentos. Editorial Person Educación, 1993.
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Primo Yúfera, Eduardo.
Química de los alimentos. Editorial Síntesis, 1998.
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Bu`lock,J. y Kristiansen, B.
Biotecnología Básica.. Editorial Acribia, S. A. Zaragoza. 1987.
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Biotecnología: Manual de Microbiología Industrial. Editorial Acribia, S. A. Zaragoza, 1993.
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Tecnología de las enzimas. Editorial Acribia . Cod. Biblioteca: 577.15 Gac tec 17009.
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Becker J. M., Caldwell, G. A., Zachgo, E. A.
Biotecnología: Curso de prácticas de laboratorio. Editorial Acribia. Codigo Biblioteca: 577 Bec.
Bio 17010.
FUNDAMENTOS Y PRINCIPIOS
TEMA 1.-Introducción a la biotecnología e importancia en la Industria Alimentaria.
1.1 BIOTECNOLOGÍA ¿QUÉ ES?
No es una disciplina científica; como la (microbiología, bioquímica, biología
molecular e ingeniería) ni es un campo interdisciplinar es más bien multidisciplinar que
abarca una amplia variedad de áreas temáticas distintas.
La biotecnología la podemos definir como: “ La aplicación de los principios de
la Ciencia y la Ingeniería al tratamiento de materiales biológicos, para la
producción de bienes y servicios”. La bioquímica, la química y la ingeniería son las
bases en la Biotecnología.
Otra definición amplia de biotecnología sería: Un conjunto de innovaciones
tecnológicas que se basa en la utilización de microorganismos y procesos
microbiológicos para la obtención de bienes y servicios y para el desarrollo de
actividades científicas de investigación.
La biotecnología alimentaria se puede definir como el uso de las tecnologías
biológicas para producir, transformar y/o preservar alimentos, o bien para la
producción de materias primas, aditivos y enzymas en la industria alimentaria.
La producción de alimentos por rutas biológicas como las bebidas alcohólicas,
los productos lácteos fermentados ( yogurt y quesos), los hongos comestibles, el pan, la
proteína unicelular etc.
La biotecnología participa en etapas específicas de transformación de alimentos
como son la mejora de las características organolépticas, químicas, fisicoquímicas o
nutricionales, o también en etapas de mejora del proceso de fermentación del té,
chocolate, café etc.
Otro objetivo es la preservación de alimentos ( generalmente por medio de
acidificación láctica como en las industrias cárnicas, embutidos...).
Podemos indicar la importancia del tema en el momento actual por la demanda
de alimentos, la medicina con antibióticos y vacunas, los insecticidas, pesticidas y
plagicidas, biopolímeros.etc..
La biotecnología comprende dos fases distintas: la fermentación y la
recuperación de los productos..
1.2 HISTORIA Y CAMPOS DE APLICACIÓN
El término biotecnología se acuño en los años setenta para describir toda una
serie de procesos de naturaleza biológica, algunos muy antiguos pero desarrollados
industrialmente en el siglo 20 una vez conocidos los aspectos bioquímicos y
microbiológicos involucrados.
1.2.1 LA FERMENTACIÓN ARTESANAL
La fermentación ha sido realizada de manera artesanal por el hombre desde hace
milenios (la fermentación implica el empleo de microorganismos para llevar a cabo
transformaciones de la materia orgánica catalizadas por enzimas), así la elaboración del
vino se practicaba ya 10000 años a.C., los egipcios producían cerveza hace ya 50006000 a.C. y utilizaban la levadura de la misma para la producción de dióxido de carbono
para el hinchamiento de la masa de pan, los aztecas recogían algas de estanques
alcalinos para consumirlas y la transformación de leche en derivados lácteos data del
5000 a.C.( se observo que la leche en los estómagos de la ternera se cuajaba ), escrituras
en sánscrito de la India describen también un producto fermentado similar al yogurt, se
producían bebidas alcohólicas ya en la China de hace 10000 años a.C. y durante
milenios distintas culturas utilizaron quesos, carne y pan enmohecidos en la medicina
popular.
1.2.2 EVOLUCIÓN Y CAMPOS DE LA FERMENTACIÓN INDUSTRIAL.( S.
XIX Y S. XX )
-Tecnología microbiana.
En 1856-7 Louis Pasteur afirmó, tras estudiar las fermentaciones de la cerveza y el vino que las
levaduras vivas fermentaban el azúcar en etanol y dióxido de carbono en ausencia de aire. Anteriormente
otros investigadores habían observado dichas levaduras y habían concluido que eran “algo” vivo pero sus
ideas fueron ridiculizadas por ciertos químicos que no consideraban que en este proceso estuviese
implicada materia viva.
En los años1870 del S .XIX Pasteur observo los efectos antagonistas de un microorganismo
frente a otro y predijo sus aplicaciones terapéuticas potenciales.
En 1881 el médico Robert Koch exploro el desarrollo de técnicas de cultivo puro que han
proporcionado técnicas para estudiar las aplicaciones industriales de cepas microbianas individuales y ha
dado paso al empleo de cultivos puros, medios esterilizados y condiciones asépticas en las fermentaciones
industriales de hoy dia.
Así, podemos decir que el empleo tradicional de mohos y levaduras y los estudios
microbiológicos de los pioneros Pasteur y Koch condicionaron el inicio de la era moderna de la
tecnología de la fermentación industrial.
-Fermentaciones en alimentos.
Procesos tales como la fabricación de pan, queso y cerveza así como los de bebidas alcohólicas,
se han desarrollado hasta satisfacer las exigencias modernas de producción a gran escala, calidad
constante y elevada, costos competitivos y variedad de productos. Las preparaciones normalizadas de
levaduras de panadería y cultivos “starter” para productos lácteos y el empleo de enzimas industriales han
mejorado la eficacia así como la automatización y control de los modernos procesos de fabricación de pan
y de fermentación de la leche.
Por su parte la fermentación de la masa de pan se acelera mediante el empleo de una mayor
proporción de levaduras a temperaturas más elevadas. El uso de amilasas microbianas libera azúcares
fermentables a partir de los granos de almidón, proporcionando así azúcares a las levaduras para que
fermenten liberando burbujas de dióxido de carbono, que eleva la masa de pan y le da su textura
característica. Las proteasas microbianas hidrolizan parcialmente las proteínas del gluten de trigo,
facilitando la manejabilidad de la masa, incrementando el volumen de la hogaza y mejorando su forma.
El empleo de cultivos “starter” ha contribuido al desarrollo de una gran cantidad de quesos de
alta calidad de modo que la elaboración de quesos ya no se basa en la infección espontánea de la leche.
Aún así pueden presentarse problemas de infección de los cultivos por bacteriófagos, a partir de los
ochenta se han desarrollado cepas insensibles a los bacteriófagos.
Avances en la industria de la cerveza y las bebidas alcohólicas han permitido el paso rápido de
una elaboración artesanal a una industrial a gran escala: innovaciones como el uso de procesos de
fermentación continuos, empleo de cereales no malteados y enzimas microbianos.
El proceso de fermentación se ha normalizado controlando determinados parámetros como la
velocidad de inoculación, las concentraciones de oxígeno disuelto, la viabilidad del almacenamiento de
las levaduras, los contenidos de nitrógeno soluble y azúcares fermentables del mosto así como su
temperatura,
La pasterización ha permitido que la cerveza pase de una escala de producción local a una
nacional e internacional.
-Levaduras de panadería y proteínas de organismos unicelulares.
En el s.XVII los panaderos obtenían sus levaduras de las fábricas de cerveza locales, pero daban
un sabor amargo y fueron sustituyéndolas gradualmente por las procedentes de las industrias de
elaboración de bebidas alcohólicas que a su vez lo fueron por las de panadería. Las primeras levaduras se
obtuvieron en 1781, el “Holandés” y 1846 con el proceso de “Viena” pero tenían rendimientos muy bajos.
Entre 1879 y 1919 gracias a ciertos avances se consiguieron levaduras de forma independiente de las
bebidas alcohólicas con aireación de la pasta de cereales y posteriormente con el aporte gradual de azúcar
( primera fermentación con retroalimentación ) se elevo la eficacia y sin la formación concominante de
alcohol.
En Alemania durante la primera guerra mundial las levaduras de panadería hechas crecer en
melazas, se producían como suplemento proteico para el consumo humano, siendo este el primer proceso
de fermentación moderno destinado ala producción de proteínas de organismos unicelulares. Después
durante la segunda guerra mundial y también en Alemania se empleó Candida utilis en caldos de
deshecho procedentes de la manufactura de papel y pulpa de sulfito como fuente proteica para
alimentación humana y animal. Y así con diferentes procesos hasta el día de hoy, en su mayoría para
consumo animal como se vera en el capitulo de producción de biomasa / proteína unicelular hasta
nuestros días en que por ejemplo en Inglaterra tenemos aprobada para consumo humano la
“Micoproteína” producida a partir del hongo Fusarium graminearum por RHM, su morfología
filamentosa la confiere una textura natural muy similar a la de la carne, permitiendo que se venda a un
precio remunerador y que tenga aceptación por parte de los consumidores.
-Vitaminas
La mayoría se obtienen por métodos químicos aunque se han descrito fermentaciones para un
gran número de vitaminas del tipo B y la B 12 es químicamente muy difícil de obtener por lo que sólo se
obtiene comercialmente mediante fermentación industrial con Pseudomonas.
-Enzymas
La introducción de enzimas microbianos industriales en el mercado estableció el fundamento de
la tecnología para la aplicación de enzimas, particularmente en áreas de procesado de alimentos como la
producción de cerveza y zumos de frutas y la factura de hidrolizados de almidón. En los años setenta el
mercado de los enzimas industriales se expandió dramáticamente al incluirse proteasas alcalinas en los
detergentes en polvo.
La producción de glucosa isomerasa microbiana para la factura de jarabes de maíz ricos en fructosa
produjo un gran impacto en el mercado de edulcorantes calóricos sustituyendo a la sacarosa en la
elaboración por ejemplo de bebidas no alcohólicas
-Antibioticos.
Alexander Flemming observo que el Penicillium notatum, contaminante de los cultivos de
Staphylococcus aureus, mataba las bacterias, demostrando que el ingrediente activo, denominado
penicilina, podía inhibir otras muchas bacterias. El desarrollo con éxito hacia 1940 por NRRL y otras
compañías farmacéuticas norteamericanas marcó el inicio de la industria de los antibióticos.
-Vacunas
La capacidad de conferir resistencia a una enfermedad mediante vacunación fue descrita en
primer lugar por Jenner, en 1798, quien observó que los individuos inoculados con viruela vacuna o
“vaccinia” eran inmunes a la viruela.
El empleo de vacunas, así como la inmunología, comenzaron hacia 1877, cuando Pasteur dirigió
su atención a las causas y formas de prevenir las enfermedades infecciosa del hombre y animales.
Siguiendo estos pasos diversos investigadores dieron con vacunas contra el cólera, tétanos, tifus,
difteria, tuberculosis...
Las vacunas bacterianas utilizadas hoy consisten en cepas vivas atenuadas de los organismos
productores de las enfermedades o de cepas estrechamente relacionadas, cepas patógenas muertas o
componentes celulares que contienen antígenos y que son efectivos para inducir la inmunidad frente a las
correspondientes enfermedades infecciosas.
-Anticuerpos monoclonales.
Una célula híbrida ( hibridoma ) es el resultado de una fusión de dos que combina distintas
capacidades de las células padre. En 1975 se fusiono un mielona de ratón ( célula de cáncer de piel ) con
un glóbulo blanco, el hibridoma resultante combinaba la capacidad de división celular y la de producción
de anticuerpos. Así se desarrollo la tecnología básica para la producción de anticuerpos monoclonales que
tienen muchas aplicaciones potenciales en análisis clínicos y en la terapia para determinadas
enfermedades.
-Tecnología de DNA recombinante.
La ingeniería genética implica nuevas combinaciones de material genético mediante la inserción
de genes extraños, producidos fuera de la célula, a un organismo huésped en el que no existen de manera
natural.
El primer producto que consiguió la autorización para uso terapéutico fue la insulina humana
producida por una cepa recombinante de E.coli . También se han preparado mediante esta técnica
hormonas humanas y varios factores de crecimiento, compuestos antitumorales y antivíricos, y antígenos
virales y enzimas.
-Cultivo de celulas de animales y plantas.
El cultivo de células de mamíferos in-vitro viene desarrollándose desde hace más de un siglo, en
1885 Roux llevo acabo la primera explantación utilizando tejidos vivos de embrión de pollo, en 1910
Harrisón y Carrel definieron la composición en sales y aminoácidos del medio de cultivo suplementado
con plasma o linfa coagulada desarrollando técnicas de cultivo para células de mamíferos y diseñaron
biorreactores para la producción de virus y otros productos. Otros investigadores en los 50-60 Eagle,
Morgan y sus respectivos colaboradores llevaron a cabo experimentos (exigencias de aminoácidos y
vitaminas específicas )que han servido de base para las líneas actuales de investigación. Estos avances
han permitido el desarrollo de vacunas víricas y el uso industrial de estos cultivos para el desarrollo de
anticuerpos monoclonales y otros productos hacia mitades de los ochenta.
A principios de los sesenta se logró el cultivo a gran escala de tabaco y de una gran variedad de
células vegetales ( el primer cultivo exitoso de células vegetales lo había llevado a cabo Gautheret en
1934 ). Ha ganado interés el empleo de de cultivos de células vegetales para producir plantas con
metabolitos secundarios de gran valor.
-Ácidos orgánicos.
Se producen por fermentación y a nivel comercial ácido láctico (un 50% de la producción total
usando Lactobacillus delbruckii ), ácido cítrico ( con cultivo en superficie con Aspergillus Níger, después
de la 2ªGM con A.Níger sumergido y hacia 1977 con Candida más eficaz y también sumergido ), ácidos
glucónico e itacónico.
El ácido acético ( vinagre ) se obtiene exclusivamente por oxidación de etanol mediante
Acetobacter aceti, en tanto que el ácido acético industrial se manufactura únicamente por procesos
químicos.
-Alcoholes y cetonas.
Actualmente sólo un pequeño número de productos químicos de gran volumen de consumo se
producen por fermentación, ya que prácticamente todos ellos se manufacturan a partir del petróleo y gas
natural. Sólo tuvieron interés en épocas de escasez como las guerras mundiales y la crisis del petróleo, las
fluctuaciones del precio del mismo así como la inquietud ante su agotamiento han intensificado el interés
en el empleo de estos recursos no petrolíferos para la producción de energía y de compuestos químicos.
-Aminoácidos.
El glutamato sódico y la lisina son los que se producen en cantidades mayores mediante técnicas
de fermentación que intentan estimular a las células para que ingieran nuevos materiales, previniendo o
impidiendo las reacciones laterales, así como inducir y activar a los enzimas biosintéticos y reducir o
inhibir la actividad enzimática que podría degradar el producto, y finalmente facilitar la secreción del
aminoácido.
-Insecticidas microbianos.
Se investiga en este sentido debido a las criticas recibidas por los insecticidas químicos que
pueden matar organismos distintos del blanco y además estos pueden volverse resistentes.
Se produce sobre todo Bacillus thurigiensis y han sido clonados con Escherichia coli y Bacillus
subtilis, mejorando la producción y el espectro de eficacia.
-Biopolímeros
La mayoría de los polímeros son sintéticos y por tanto sensibles a las fluctuaciones del precio del petróleo. El biopolímero más importante es la goma xantano,
usada como gelificante o estabilizante de suspensiones producida por fermentación de la
bacteria Xanthomonas campestris .
Un polímero muy prometedor es el polihidroxibutirato, poliéster
termoplástico que se puede acumular intracelularmente en algunos tipos de Alcaligenes
entrophus hasta un nivel del 70% en peso de biomas. Este producto podría permitir el
empleo de plásticos biodegradables en lugar de los plásticos obtenidos a partir del
petróleo, no biodegradables
Como resumen la historia de la biotecnología puede dividirse en cuatro períodos:
El primero corresponde a la era anterior a Pasteur y sus comienzos se confunden con
los de la humanidad. En esta época, la biotecnología se refiere a las prácticas empíricas de
selección de plantas y animales y sus cruzas, y a la fermentación como un proceso para
preservar y enriquecer el contenido proteínico de los alimentos. Este período se extiende hasta
la segunda mitad del siglo XIX y se caracteriza como la aplicación artesanal de una experiencia
resultante de la práctica diaria. Era tecnología sin ciencia subyacente en su acepción moderna.
La segunda era biotecnológica comienza con la identificación, por Pasteur, de los
microorganismos como causa de la fermentación y el siguiente descubrimiento por parte de
Buchner de la capacidad de las enzimas, extraídas de las levaduras, de convertir azúcares en
alcohol. Estos desarrollos dieron un gran impulso a la aplicación de las técnicas de
fermentación en la industria alimenticia y al desarrollo industrial de productos como las
levaduras, los ácidos cítricos y lácticos y, finalmente, al desarrollo de una industria química
para la producción de acetona, butanol y glicerol, mediante el uso de bacterias.
La tercera época en la historia de la biotecnología se caracteriza por desarrollos en
cierto sentido opuestos, ya que por un lado la expansión vertiginosa de la industria
petroquímica tiende a desplazar los procesos biotecnológicos de la fermentación, pero por otro,
el descubrimiento de la penicilina por Fleming en 1928, sentaría las bases para la producción
en gran escala de antibióticos, a partir de la década de los años cuarenta. Un segundo
desarrollo importante de esa época es el comienzo, en la década de los años treinta, de la
aplicación de variedades híbridas en la zona maicera de los Estados Unidos ("corn belt"), con
espectaculares incrementos en la producción por hectárea, iniciándose así el camino hacia la
"revolución verde" que alcanzaría su apogeo 30 años más tarde.
La cuarta era de la biotecnología es la actual. Se inicia con el descubrimiento de la
doble estructura axial del ácido "desoxi-ribonucleico" (ADN) por Crick y Watson en 1953,
seguido por los procesos que permiten la inmovilización de las enzimas, los primeros
experimentos de ingeniería genética realizados por Cohen y Boyer en 1973 y aplicación en
1975 de la técnica del "hibridoma" para la producción de anticuerpos "monoclonales", gracias a
los trabajos de Milstein y Kohler.
En todos estos casos, la innovación biotecnológica surgió en el sector productivo; en
cambio, los desarrollos de la nueva biotecnología se originan en los centros de investigación,
generalmente localizados en el seno de las universidades.
Las nuevas biotecnologías pueden agruparse en cuatro categorías básicas:
 Técnicas para el cultivo de células y tejidos.
 Procesos biotecnológicos, fundamentalmente de fermentación, y que incluyen
la técnica de inmovilización de enzimas.
 Técnicas que aplican la microbiología a la selección y cultivo de células y
microorganismos.
 Técnicas para la manipulación, modificación y transferencia de materiales
genéticos (ingeniería genética).
Desde un punto algo diferente, es posible agrupar las tecnologías que forman parte de
la biotecnología en los seis grupos siguientes:
 Cultivos de tejidos y células para la rápida micropropagación "in vitro" de
plantas, la obtención de cultivos sanos, el mejoramiento genético por cruza
amplia, la preservación e intercambio de germoplasma, la biosíntesis de
metabolitos secundarios de interés económico y la investigación básica.
 El uso de enzimas o fermentación microbiana, para la conservación de
materia primas definidas como sustratos en determinados productos, la
recuperación de estos productos, su separación de los caldos de fermentación
y su purificación final.
 Tecnología del hibridoma, que se refiere a la producción, a partir de "clones",
de anticuerpos de acción muy específica que reciben el nombre de anticuerpos
"monoclonales".
 Ingeniería de proteínas, que implica la modificación de la estructura de las
proteínas para mejorar su funcionamiento o para la producción de proteínas
totalmente nuevas.
 Ingeniería genética o tecnología del ADN, que consiste en la introducción de
un ADN híbrido, que contiene los genes de interés para determinados
propósitos, para capacitar a ciertos organismos en la elaboración de productos
específicos, ya sean estos enzimas, hormonas o cualquier otro tipo de proteína
u organismo.
 Bioinformática, que se refiere a la técnica basada en la utilización de
proteínas en aparatos electrónicos, particularmente sensores biológicos y
"biochips"; es decir, microchips biológicos, capaces de lógica y memoria.
En la agricultura, la biotecnología se orienta a la superación de los factores limitantes
de la producción agrícola a través de la obtención de variedades de plantas tolerantes a
condiciones ambientales negativas (sequías, suelos ácidos), resistentes a enfermedades y
pestes, que permitan aumentar el proceso fotosintético, la fijación de nitrógeno o la captación
de elementos nutritivos. También se apunta al logro de plantas más productivas y más
nutritivas, mediante la mejora de su contenido proteínico o aminoácido.
Un desarrollo paralelo es la producción de pesticidas (insecticidas, herbicidas y
fungicidas) microbianos.
Actualmente la biotecnología está siendo aplicada en gran escala en la producción de
alcohol (etanol), como combustible sustituto del petróleo, fundamentalmente en el Brasil y en
menor medida en Estados Unidos y la India. En el Brasil, la producción se logra a partir de
melazas de la caña de azúcar, mientras que en Estados Unidos se usa el maíz. Otro producto
importante es el ácido cítrico. Los principales productores son los Estados Unidos, Italia,
Bélgica y Francia. Utilizan como materia prima melazas de remolacha.
PROCESO DE LA FERMENTACIÓN
LOS MICROORGANISMOS, COMO TODOS LOS SERES VIVOS : CRECEN ;
SE REPRODUCEN; SEGREGAN PRODUCTOS DE IMPORTANCIA PARA EL
HOMBRE Y MUEREN.
MICROORGANISMO (BACTERIAS, LEVADURAS, HONGOS ETC.)
+
ELEMENTOS NUTRIENTES( C, H, O, N, S, P, METALES, VITAMINAS, ETC.)
+
CONDICIONES AMBIENTALES( pH, Tª, VISCOSIDAD, Oxigeno disuelto)
MICROORGANISMO + CO2 + PRODUCTO (INTRA ó EXTRACELULAR)
MICROORGANISMO : MAS GRADE QUE EL INICIAL
PRODUCTO: ANTIBIÓTICOS, ESTEROIDES, ENZYMAS COMPUESTOS
ORGÁNICOS.
OBJETIVO DE LA BIOTECNOLOGÍA.
El objetivo de la biotecnología es obtener productos metabólicos útiles a partir de
materiales biológicos.
La biotecnología comprende dos fases distintas: la fermentación y la recuperación de
los productos.
La biotecnología debe de desarrollar procedimientos de fermentación (Para el cultivo
de microorganismos en condiciones óptimas así como para la producción, por parte a los
microorganismos, de los metabolitos o los enzimas deseados,) procedimientos de
fermentación como son :
el desarrollo de cepas mediante manipulación genética
y/o la regulación del metabolismo mediante la optimización del medio de cultivo
así como el control adecuado de los factores físico-químicos que afectan al
rendimiento de las fermentaciones industriales (02, Ta, pH, etc.).
La recuperación del producto o "procesamiento posterior" (del inglés downstream
processing) conlleva la extracción y purificación de los productos biológicos.
La recuperación en los procesos bioquímicos difiere de la recuperación química,
principalmente, en que los materiales biológicos son frecuentemente mucho más lábiles.
Por lo tanto, la producción de productos metabólicos útiles a partir de microorganismos
conlleva una íntima relación entre la Ciencia y la Tecnología.
Por un lado se deben desarrollar los microorganismos de interés industrial y por otro se
debe asegurar que estos microorganismos puedan crecer en gran cantidad bajo aquellas
condiciones que originen el mejor rendimiento posible del producto.
A simple vista uno puede pensar que aquellas condiciones que se han encontrado ser
las más efectivas a pequeña escala deberían ser igual de efectivas a larga escala y que para
conseguir este objetivo únicamente es necesario usar un recipiente mayor con el
correspondiente incremento de volumen del medio. Nada más lejos de la realidad. Por ejemplo,
se puede conseguir un buen crecimiento de un microorganismo aerobio en un matraz de 200
ml mediante agitación en un incubador usando un rotor de 300 w. Si nosotros simplemente
ampliamos este sistema, un único fermentador de 10.000 litros requeriría un agitador con un
motor de 15 megavatios. Dicho motor debería ser tan grande como una casa y el calor
generado durante la agitación herviría a los microorganismos.
En líneas generales, un proceso típico de fermentación comienza con la formulación y
esterilización del medio de cultivo así como la esterilización del equipamiento.
Las células se crecen primero en un cultivo de mantenimiento (5 a 10 ml),
posteriormente en un matraz (200 a 1.000 ml) y de ahí en un prefermentador (10 a 100 l para
finalmente inocular el fermentador de producción (1.000 a 100.000 l). Una vez que la
fermentación se ha completado, las células se separan del cultivo líquido.
Si el producto es intracelular, se rompen las células, se eliminan los restos celulares y
se recupera el producto del fluido libre de restos celulares.
Si el producto es extracelular, se purifica a partir del sobrenadante libre de células.
Una vez visto el desarrollo de las cepas así como el diseño de los medios de cultivo. Se
deben desarrollar los aspectos tecnológicos de las fermentaciones.