Javier Verastegui-Contaminacion Quimica y Biotecnologia-20.11.2009

Conferencia Internacional: Ecología, Ambiente y Desarrollo Duradero
Universidad Ricardo Palma – Université Montesquieu Bordeaux IV
Lima, 20 de noviembre de 2009
“La biotecnología aplicada a la
reducción y prevención de la
contaminación
Javier Verástegui
Consultor
Definición de Biotecnología
Toda técnica o grupo de técnicas que utilizan
organismos vivos para obtener o modificar
productos, para mejorar plantas o animales o
para desarrollar microorganismos para usos
específicos
Office of Technology Assesment-OTA
U.S. Congress, 1984
La biotecnología incluye conocimientos y herramientas
provenientes de distintas disciplinas:
Biología
Celular
y
Cultivo de
Tejidos
Biología
Molecular
Inmunología
y
Virología
Bioquímica
Biotecnología
Salud
Agricultura
Industria
Alimentaria
Medio Ambiente
Industria,
Energía y Minería
La biotecnología ha impactado en todas las actividades
productivas.
3
Biotecnología moderna
• Biotecnología clásica, existe desde el comienzo de la
civilización: vino, cerveza, pan, yogurt, queso.
• Biotecnología moderna es el uso de técnicas para manipular
el material genético y para la fusión de células.
• También involucra el uso de marcadores moleculares como
medio para localizar y caracterizar genes.
• Finalmente involucra la transferencia nuclear, la
manipulación de células madre y las técnicas de clonación.
• El ejemplo más obvio es la ingeniería genética que involucra
la manipulación del ADN a nivel molecular y su inserción en el
ADN de otro organismo.
Historia de la biotecnología
moderna
• Estructura del ADN (1953)
• Clonación de células vegetales (1960s)
• DNA recombinante (1973)
• Interferon humano (1980)
• BST por bacterias transgénicas (1994)
• Tomate FlavrSavr® (1994)
• Cultivos transgénicos comerciales (1996)
• Clonación animal (1999)
• Genómica humana, vegetal y animal (+2000)
5
Campos que apoyan a la Ingeniería Genética
•
Selección asistida por marcadores moleculares (MAS):
•
Genómica estructural: Secuenciamiento y definición de las bases
que forman los genes, y su localización en el genoma de especies
blanco.
• Genómica funcional: Descubrimiento de las funciones de genes
clave en el genoma de organismos blanco.
• Proteómica: Estudio de las proteínas específicas expresadas por los
genes secuenciados para diferentes usos del ser vivo.
•
Metabolómica: Estudio de las rutas metabólicas en el desarrollo
celular y de tejidos bajo la acción específica de proteínas dentro de un
ser vivo.
• Bioinformática: Tecnologías de apoyo para la colección,
almacenamiento y uso de bases de datos de genes, proteínas,
biotecnologías, avances, regulaciones en el desarrollo de OGMs.
Qué es la biotecnología ambiental o
biotecnología “blanca”?
“Es el desarrollo, uso y regulación de los sistemas
biológicos para la remediación de los ambientes
contaminados (tierra, aire, agua); y para el desarrollo de
procesos industriales ambientalmente amigables
(tecnologías verdes, producción limpia y desarrollo
sustentable)”
International Society for Environmental Biotechnology
Qué es la biotecnología industrial?
“Es la aplicación de las ciencias de la vida en los
procesos de manufactura convencionales. Utiliza
bacterias, levaduras y plantas (sistemas celulares
completos), o enzimas”
En la mayoría de casos ocasiona:
–
–
–
menores costos de producción
menos contaminación
conservación de recursos
La biotecnología tradicional se
encuentra con la moderna
• La fermentación y la ingeniería genética se utilizan en la
producción de alimentos desde los años 1980
• Los OGM se cultivan en fermentadores y se modifican
para producir grandes cantidades de las enzimas
deseadas, las que se extraen y purifican
• Las enzimas se utilizan en la producción de leche,
queso, cerveza, vino, dulces, vitaminas y suplementos
minerales.
• La ingeniería genética se usa para elevar la cantidad y
calidad de las enzimas (mejorar sus funciones) y para
producir enzimas en forma más económica
– La primera fue la quimosina, usada en la producción de quesos
Aplicaciones ambientales de la
biotecnología
• Recuperación biológica de metales pesados en
relaves mineros y otras fuentes industriales
• Biorremediación de suelos y cuerpos de agua
contaminados con químicos tóxicos
• Tratamiento de desagues y otros desechos
orgánicos
• Reemplazo de combustibles fósiles por materia
prima renovable:
– Bioetanol
– Biodiesel
Biorremediación de suelos y aguas
contaminadas
• Remoción de metales tóxicos
– Biorremediación de mercurio (Hg+2)en efluentes con
bacteria E.coli GM con gen de complejante metalotioneina
– Fitorremediación de mercurio y cadmio con el
helecho Azolla y las lentejas de agua Lemna sp.
– Plantas hiperacumuladoras de metales (mostaza
india que extrae plomo, Thlaspi que acumula zinc y
níquel, helecho Pteris vittata acumula arsénico en U.
de Florida)
Lemmna m.
Azolla c.
Eschericchia coli
Aplicaciones de la biotecnología
para remediar la contaminación
• Tratamiento de efluentes
– Reactores de biogas de alta eficiencia: UASB y HRAFF (high-rate anaerobic fixed film) para efluentes
urbanos e industriales
– Biodigestores apropiados para el medio rural,
obtención de Biol y Biosol
• Tratamiento de desechos sólidos
– Compost, biofertilizantes, lombricultura
• Biosensores
Reactor UASB
Biodigestor modelo chino en el
fundo Casablanca (Pachacamac)
FUENTE: Ing. Ulises Moreno y Dra. Carmen Felipe
Aplicaciones de la
biotecnología en la
producción limpia
• Bioplásticos:
– Dupont (usa jarabe de
maiz como materia prima
para copolimero) y
– Cargill-Dow Chemical (usa
ácido láctico de jarabe de
maiz para el polímero del
ácido lactico)
– IRD-Francia (usa bacteria
del vino de palma para
transformar jarabes
diversos en ácido láctico)
Aplicaciones de la biotecnología en
la producción industrial
• Enzimas
– industria alimentaria,
– industria de detergentes –enzimas GM de Novozymes,
– industria textil –enzima GM de Genencor para
acabados “stone-wash”
– cosméticos –enzimas para proteínas hipoalergénicas
– industria cárnica –enzima GM tripsina no-animal
“TripZean” de ProdiGene
– industria de biorremediación
FUENTE: “The application of biotechnology to industrial sustainability”, OECD, 2001
Areas de aplicación industrial de la
biotecnología moderna - 1
• Enzimas específicas recombinantes mediante bioprospección,
metagenómica e ingeniería genética de microorganismos
• Enzimas-r para biorremediation (lipasas, proteasas, amilasas,
reductasa del ión mercúrico).
• Bacterias GM para biolixiviación y biominería (e.g. Thiobacillus
ferroxidans)
• Enzimas recombinantes para la utilización de celulosa y xilosanos en
industria papelera (celulasas)
• Enzimas recombinantes en la industria de detergentes (amilasas,
lipasas, celulasas)
• Microorganismos para industrias de fermentación y biocombustibles.
• Levadura-r para la industria de bebidas alcohólicas
• Renina-r, quimosina-r y lactasa-r en industria de alimentos (quesos)
Areas de aplicación industrial de la
biotecnología moderna - 2
•
•
•
•
•
•
•
Industria farmacéutica: nutracéuticos y biomedicinas
Mejora en la digestabilidad de piensos en animales
Desarrollo de plásticos y polímeros biodegradables
Aplicaciones en la industria de la pulpa y papel
Aplicaciones en productos de química fina
Aplicaciones en la industria del cuero
Aplicaciones en la interfase de la biotecnología con la
nanotecnología
• Desarrollo de nano-biochips para reemplazar los chips de silicio
• Aplicaciones de la biotecnología a productos marinos
Biolixiviación de mineral
de Cobre
(Billiton, South Africa)
• Las fundiciones de cobre son grandes contaminadoras.
• Se utilizan bacterias para lixiviar los metales de las menas.
• Pueden procesar minerales de baja concentración que
contienen elementos químicos valiosos o contaminantes
• La lixiviación bacteriana produce beneficios ambientales,
reduce emisiones nocivas y reduce costos.
• Reduce la generación de emisiones de partículas (polvo).
• Al usar bacterias se reduce la emisión de dióxido de azufre
• Perminte la manipulación segura de impurezas de arsénico en
forma estable.
Biolixiviación de Cobre
Fuente: www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/.../metales.htm
Refinación de Zinc
(Budel Zinc, Holanda)
• En los procesos tradicionales los efluentes de acabado
contienen metales pesados, ácido sulfúrico y yeso (usado
para precipitar sulfatos).
• Un nuevo proceso biológico desarrollado usando sulfato
enzimas bacteriales reductoras de sulfato.
• Este proceso permite convertir al zinc y al sulfato en sulfuro
de zinc el que puede reciclarse a la refinería.
• Como resultado, no se produce yeso, la calidad del agua
mejora y el valioso zinc se recicla.
Etanol a partir de Biomasa
(Iogen, Canada)
• Actualmente el etanol se produce por fermentación de jugos
azucarados o de granos (tecnología antigua).
• La tecnología de enzimas celulolíticas permiten convertir los
resíduos de cosecha (tallos, hojas y cáscaras) en etanol.
• Como resultado el bioetanol reduce las emisiones de CO2 en
más del 90% (comparado con combustibles de petróleo).
• Permite una mayor producción local de combustibles y utiliza
materia prima renovable.
Biocombustibles en América latina
• Biocombustibles:
– bioetanol de caña de azucar (Brasil, Colombia, Peru)
– bioetanol de maiz GM (EEUU)
– biodiesel (Brasil)
– Planta piloto de biodiesel de la UNALM:
Proceso de pulpeo de
madera (Leykam, Austria)
• En el pulpeo tradicional los chips de madera se hierven en
una solución química para liberar la pulpa.
• El “Biopulpeo” (tratamiento de chips de madera con un
hongo) usa enzimas para degradar selectivamente la lignina y
romper las paredes celulares de la madera.
• Si el siguiente paso es tratamiento mecánico, se obtiene un
30-40% de reduccón in consumo de energía.
• Si el siguiente paso es tratamiento químico, se obtiene 30%
más de lignina removida y se usa menor cantidad de cloro.
• Hay reducción de costos por ahorros en energía y químicos.
Otros casos de biotecnología aplicada
a la industria de pulpa y papel
• Industria del papel
– Reducción de lignina hasta 50% en madera de
álamos GM de rápido crecimiento (poplar) para
pulpeo más eficiente, en State U. of North Carolina
– Reducción de lignina en pino radiata para faciltar
pulpeo en Chile (Arauco Forestal)
– Papa GM con mayor contenido de amilopectina para
blanqueo de papel (AVEBE, Holanda)
Producción de Biopolímero
(Cargill-Dow, USA)
• La producción del polímero del Acido Poliláctico (PLA) a partir
del azúcar de maíz reemplaza la materia prima petróleo.
• El PLA puede reemplazar el PET, los polésteres y el
poliestireno.
• El PLA es compostable.
• El PLA es neutro como generador de carbono – el CO2 es
reciclado.
• En el futuro, el PLA será hecho de biomasa celulósica.
Producción del Antibiótico
Cephalexina
(DSM, Holanda)
• La empresa involucrada en la conversión de síntesis
química a síntesis biológica.
• Los procesos tradicionales producían 30-40kg de
desechos por cada kg de producto.
• El nuevo proceso biolóbico de un solo paso ha eliminado
la necesidad de usar cloruro de metileno.
• Resultado: dramática reducción de generación de
desechos y de emisiones tóxicas.
Manufactura de Vitamina B2
(Hoffman La-Roche, Alemania)
• Se ha sustituído un proceso químico multi-etapa por uno
biológico que usa un organismo genéticamente modificado
(OGM).
• Gran reducción en áreas de tierra para disposición de
desechos peligrosos.
• Los desechos en los efluentes finales se reducen en 66 %
• Las emisiones de aire se reducen en 50%
• Los costos se reducen en 50%
Conclusiones
• La Biotecnología Industrial aún está en etapas iniciales de
desarrollo.
• Sus aplicaciones innovadoras están aumentando y
difundiéndose rápidamente en toda área de manufactura
• Ya está generando tècnicas útiles que permiten métodos
de producción más limpios y más durables, y continuará
haciéndolo en el futuro.
• Es de interés tanto de la empresa como del gobierno
promover la difusión de estas aplicaciones innovadoras en
muchos sectores de la economía.
Gracias por su atención,
[email protected]
Miembro del Comité Científico Asesor de UNU-BIOLAC
www.unu-biolac.com
Consultor, Proyecto WB-GEF LAC-Biosafety, Perú
www.lacbiosafety.org
Asociación PerúBiotec - Asociación BioEuroLatina
www.perubiotec.org - www.bioeurolatina.com