TRABAJO INDIVIDUAL 1 BIOTECNOLOGÍA PARTE A.
PRESENTADO POR: SANDRA M. RUEDA VELASCO CÓDIGO: 63497339
PRESENTADO A: FEDRA LORENA ORTIZ DIRECTOR DE GRUPO GRUPO: 3!6"9#4
UNIVERSIDAD UNIVERS IDAD NACIONAL NACIONA L ABIERTA ABIERTA $ A DISTANCIA UNAD. INGENIERIA DE ALIMENTOS ALIMENTOS BIOTECNOLOGIA MARZO % %16
I.
Fundamentación científica.
C&'()*+,-*+. 1.
R'-/*0' '/ /-+-)+*+ 2*)&-/ N. 1C'0**',)+ *0+*-,+ 5 '(+,- /-( '8&,)-( '/ 0&'()*+,-*+ '/ /-+-)+*+. - &; <-('( ' 0'0**',)+ &'' *<'',0*- ', /- 8=<*0->
Fase de Latencia Fase de Aceleración Positiva Fase Exponencial Fase Aceleración Negativa Fase Estacionaria
E?/*@&' '/ 0++)-*',)+ ' /- 8=<*0- '(' '/ &,)+ ' 2*()- ')-/*0+ Antes de que la célula se divida deen ocurrir muc!as reacciones químicas denominadas metaolismo" estas reacciones metaólicas se dividen en dos# reacciones cataólicas que son aquellas que rompen moléculas para lierar energía $ reacciones anaólicas que son las que almacenan energía. La ma$oría de los microorganismos son capaces de sinteti%ar algunos compuestos que necesitan& mientras que en algunos casos es necesario suministrarlos en el medio de cultivo. Las vitaminas son factores necesarios para el crecimiento" muc!as de estas funcionan formando parte de coen%imas. La ma$or parte de los microorganismos son capaces de sinteti%ar todos los componentes de sus coen%imas" sin emargo muc!os no son capaces $ necesitan que les sean suministrados en forma de vitaminas. Las principales vitaminas que requieren los microorganismos son tiamina" iotina" piridoxina. Los medios de cultivos son soluciones nutritivas que se usan para dar los micro $ macro nutrientes que ellos necesitan& estos permiten el uen crecimiento de l microorganismo. En la saccharomyces cerevisiae del estudio del primer laoratorio se oserva que va creciendo su metaolismo para producción de etanol. A medida que va creciendo el microorganismo el etanol va in!iiendo el crecimiento causando da'os en el A(N mitocondrial de las células e inactiva algunas de las en%imas como la !exoquinasa $ la de!idrogenasa. )uando la saccharomyces cerevisiae crece en presencia de etanol incrementa la cantidad de *cidos grasos insaturados como una alternativa ante el estrés que se genera por la toxicidad del etanol. En su etapa de crecimiento ella puede llevar a cao un metaolismo respiratorio o fermentativo seg+n la concentración de oxígeno. )uando esta se encuentra en condiciones anaeroiosis el crecimiento celular es lento ocasionando una producción de etanol alta.
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0 E, '/ 8=<*0+ '( +(*/' +('2- )+-( /-( <-('( ' 0'0**',)+> E?/*@&' (& '(&'() No" porque en el gr*fico solo se muestra la fase estacionaria" no se evidencia una fase de ,uerte.
I,2'()*8&' +)+( ;)++( 0+, /+( 0&-/'( (' &'- ')'*,- /- 0&2- ' 0'0**',)+ (eterminación en continuo# -a$ administración constante del medio de cultivo • El sustrato no es limitante • (epende de la tasa de dilución •
' C&=/ '( /- -/*0-0*, *,&()*-/ ' 0+,+0' /- 0&2- ' 0'0**',)+ ' &, *0++8-,*(+> El conocimiento de la evolución del cultivo a inocular o utili%arnos permite oservar cómo va desarroll*ndose el microorganismo" como va consumiendo el sustrato" como se va acumulando el producto a partir de la fermentación" cu*nto tiempo se demora en desarrollar el producto $ cu*nto tiempo se demora el microorganismo en morir. eniendo estos datos la industria puede reali%ar una pro$ección de la formulación para la reali%ación de los productos.
< &' ',)*',' + -(+-,0*La asorancia es la relación directa de la cantidad de energía luminosa después de pasar por un material entre la cantidad de la energía luminosa antes de pasar" es decir# la intensidad de la lu% con una longitud de onda específica $ que es pasada por una muestra $ es la intensidad de la lu% antes de que entre a la muestra.
8 P+ @&; '( ,'0'(-*+ &)*/*- &,- (+/&0*, /-,0+ 0-- 2' @&' (' -0' &,- ,&'2/'0)&- ', '/ '('0)+<+)')+> )alirarlo" que tenga un punto cero para poder !acer las lecturas.
&; '( /+ @&' *' '-/',)' '/ '('0)+<+)')+ 5 0++ (' '/-0*+,- '()+ 0+, /-( <-('( ' 0'0**',)+ *0+*-,+> El espectrofotómetro mide la intensidad de lu% $ se relaciona con las fases del crecimiento microiano en cuanto a que el valor de la asorancia se ve incrementado por el efecto pantalla que logran !acer los microorganismos $ la solución.
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%.
C&=/ '( /- *<'',0*- ',)' /- 0+,()-,)' ' /- 2'/+0*- ' 0'0**',)+ ' &, +8-,*(+ 5 (& )*'+ ' 8','-0*, 8.
La constante de velocidad es la tasa específica de consumo del sustrato& es decir es la velocidad con la que el organismo consume el sustrato. )uan ma$or es la tasa de consumo ma$or ser* la constante de velocidad de crecimiento. Asimismo" cuan ma$or sea el rendimiento del sustrato consumido" tamién ma$or ser* la tasa de crecimiento. /El crecimiento de los microorganismos es una parte fundamental de la ma$oría de los procesos de fermentación. )uando un organismo es inoculado en un volumen de medio dado" el cultivo pasa por una serie de fases. (espués que se !ace la inoculación" existe una fase llamada latencia" en la cual el organismo se adapta a las condiciones del medio& tras un cierto período de tiempo en el que la velocidad de crecimiento de las células va en aumento gradualmente" las células crecen a una velocidad constante m*xima& esta fase se denomina exponencial o logarítmica. A medida que el crecimiento contin+a" los nutrientes se van agotando $ los productos van siendo excretados por el organismo" la velocidad de crecimiento disminu$e $ finalmente el crecimiento cesa" deido frecuentemente al agotamiento de un nutriente esencial o a la acumulación de alg+n producto tóxico& esta fase se denomina estacionaria.0 El tiempo de generación de un organismo es el camio en el n+mero de las células por unidad de tiempo" o ien sea es el tiempo requerido para duplicar una polación de células" en las cuales a partir de una célula se forman dos células.
3.
D' -0&'+ -/ +'/+ -)'=)*0+ ' 0'0**',)+ *0+*-,+. C-/0&/' '/ 2-/+ ' 8 5 ' ', &, '?'*',)+ ' 0'0**',)+ ', '/ @&' (' *,+0&/ &, '*+ 0+, 1 ? 1 6 0;/&/-(/ ' E(0'*0*- 0+//* 5 @&' '(&;( ' &, '++ ' /-)',0*- ' 1 +- 0'0* '?+,',0*-/',)' &-,)' 1! +-( -/0-,-,+ &,- +/-0*, ' 1!4 ? 19 0;/&/-(/. n
N No . 2 es igual n =
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logN logNo log2
9
−
log15,4∗10 −log10∗10 n= log2
6
n 30,08 generaciones =
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t n
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15 =1,5 h 30,08
4
m
4.
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0,4986 1,5
1,3862
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D' -0&'+ -/ 0-)&/+ (+' ')-+/*(+ *0+*-,+.R'-/*0' &, 0&-+ 0+--)*2+ ' /-( &)-( ')-/*0-( &)*/*--( + /+( *0++8-,*(+( *<'',0*' ' -0&'+ -/ (&()-)+ &)*/*-+ '0-,*(+ ' +)',0*, ' ','8- 5 +&0)+( +)',*+(.
S&()-)+ &)*/*-+
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P+&0)+( +)',*+(
FERMENTACIÓN
RESPIRACIÓN
,oléculas org*nicas. sustratos fermentales simple 1como a%+car" por e2emplo3 El sustrato da lugar a una serie de compuestos" unos m*s oxidados $ otros m*s reducidos& en el proceso fermentativo mantiene un estricto alance 456. El nivel de oxidación promedio de los productos finales es mu$ cercano al del sustrato. (e a!í que la generación de AP asociada a la fermentación se denomina fosforilación a nivel de sustrato El proceso ocurre en ausencia de oxigeno Lactato Etanol" )48 7uccinato" acetato" formiato" -8 9utilenglicol Acetona 9utirato 9utanol
Electrones tanto de compuestos org*nicos como inorg*nicos 1oxid*ndose3. oxigeno molecular Los electrones son transferidos a través de una cadena transportadora de electrones al final de la cual existe un aceptor exógeno oxidado 1A3" que se reduce. 7i el aceptor final es el 48" !alamos de respiración aeroia& 7i el aceptor final es distinto del 48 1nitrato" sulfato" etc.3" respiración anaeroia. la transferencia se da ordenadamente" en la dirección de ma$or potencial redox positivo" energía lire que se va a traducir en un potencial electroquímico de protones" cu$a disipación a través de AP5asas de memrana origina AP" conociéndose este proceso como fosforilación oxidativa
A este con2unto de procesos" se le conoce como metaolismo $ consiste de un gran n+mero de reacciones químicas destinadas a transformar las moléculas nutritivas en elementos que 5
posteriormente ser*n utili%ados para la síntesis de los componentes estructurales& como pueden ser las proteínas. 4tra parte importante del metaolismo es la de transformar $ conservar la energía que est* contenida en una reacción química en alg+n proceso que requiera de energía" como puede ser el traa2o o el movimiento. ,etaolismo acteriano. El metaolismo de la acteria est* adaptado para el crecimiento velo% $ transcurre entre :; $ :;; veces m*s r*pido que en las células !umanas. La acteria tiene ma$or versatilidad en cuanto al tipo de nutrientes que puede utili%ar para otener energía. La acteria tiene ma$or versatilidad en la utili%ación de oxidantes $ no est*n limitadas al sólo uso del 48. Existe una gran diversidad de requerimiento nutricional entre las acterias deido a que ella no poseen todos los caminos iosintéticos. IP47 (E ,EA94LI7,4
7eg+n la forma en la que el organismo otiene el carono para la construcción de la masa celular# Autótrofo# El carono se otiene del dióxido de carono 1)483 -eterótrofo# El carono se otiene de compuestos org*nicos 1glucosa3 7eg+n la forma en la que el organismo otiene los equivalentes reductores para la conservación de la energía o en las reacciones iosintéticas. Litotrofo# Los equivalentes reductores se otienen de compuestos inorg*nicos. 4rganotrofo# Los equivalentes reductores se otienen de compuestos org*nicos. 7eg+n la forma en la que otiene la energía para vivir#
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)ataolismo $ Anaolismo )ataolismo# (egradación en%im*tica de macromoléculas" lípidos" !idratos de carono $ proteínas.
7
6utas
,etaolicas
8
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C+-' 5 ('H-/' /-( *<'',0*-( ',)' ')-+/*)+( ('0&,-*+( 5 *-*+( 5 ; &, ''/+ ' 0-- &,+ ' '//+(. I,0/&5- -/ ',+( +( '?/*0-0*+,'( ' /-( -('( +/'0&/-'( + /-( @&' -/8&,+( ')-+/*)+( (+, ('0&,-*+( ',2;( ' *-*+(. M')-+/*)+( *-*+(
M')-+/*)+( ('0&,-*+(
Productos del metaolismo general Ampliamente distriuí dos en plantas $ microorganismos Indispensales para la vida
Productos del metaolismo especial 9iosinteti%ados a partir del metaolismo primario (istriución restringida a ciertas plantas" microorganismos (istriución taxonómica restringida 1a veces característico de un género dado o de una especie3
Amino*cidos de proteínas" monosac*ridos" lípidos" *cidos derivados del ciclo de los *cidos tricaroxílicos" gl+cosidos" etc.
No indispensales para la vida Alcaloides" terpenos" flavonoides" esteroides" cumarinas" etc.
/,etaolitos primarios# 7e producen en el curso de las reacciones metaólicas anaólicas o cataólicas que tiene lugar durante las fases decrecimiento $ que contriu$en a la producción de iomasa o energía por las células. 7e producen principalmente en la trofofase o fase de crecimiento. ener una función metaólica directa 7er compuestos esenciales intermedios en las vías cataólica $ anaólica Encontrarse en todas las plantas ratarse de caro!idratos" lípidos" proteínas" *cidos n ucleicos o clorofilas. ,etaolitos secundarios 7e producen por rutas anaólicas especiali%adas cuando no !a$ crecimiento. Pueden ser una estrategia para mantener en funcionamiento los sistemas metaólisis cuando no !a$ crecimiento& tamién sirven como indicativos de diferenciación $ se producen durante la idiofase de los cultivos. Entre sus características comunes& tienden a producirse cuando el crecimiento est* limitado 1cultivo continuo3& se forman por en%imas específicos a partir del metaolismo central& no son esenciales para el crecimiento o para el metaolismo central $ son específicos para cada especie" $ a veces" de cada cepa0. E2emplo# Primario# Formación de alco!ol a partir de a%+car por la levadura 7ecundario# Formación de penicilina por el !ongo penicillium chrysogenum
6. D' -0&'+ -/ &/+ *',)*<*@&' - -)* ' ''/+( /- *<'',0*- ',)' '/ );*,+ <'',)-0*, ', B*+@&*0- 5 '/ );*,+ <'',)-0*, ', /- B*+)'0,+/+8-.
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La iotecnología microiana o como se llamaa anteriormente microiología industrial se refiere a los procesos donde participan los microorganismos para la otención de productos o metaolitos de interés !umano. La microiología industrial comen%ó con los procesos de fermentación alco!ólica por e2. La fermentación del vino $ de la cerve%a. ,*s tarde se desarrollaron los procesos microianos para la producción de agentes farmacéuticos como los antiióticos" la producción de aditivos alimentarios como los aminos *cidos" para la producción de en%imas $ sustancias químicas industriales como el utanol" el *cido cítrico" entre otros. La fermentación es el mecanismo m*s simple $ qui%*s el m*s antiguo desde el punto de vista evolutivo" de los procesos de otención de energía. 7e suponen que en las condiciones del mundo primitivo" donde no existía oxígeno lire" ni los ra$os del sol llegaan a su superficie" los primero organismos solo podían otener la energía a partir de la contenida en los compuestos org*nicos. 7e puede definir entonces" la fermentación como el proceso metaólico de generación de AP. (esde un punto de vista ioquímico las fermentaciones se caracteri%an por ser una suma de reacciones" al final de las cuales los productos poseen un contenido energético menor que el inicial. 7i anali%amos la fermentación a través de la energía de enlace" tendremos que en ella se producen reordenamientos moleculares en los que se pasa de funciones de ma$or contenido a funciones de menor contenido energético. Así" en la ma$oría de las fermentaciones se pasa de grupos caronilo e !idroxilo a grupos carox ilo de menor contenido energético.
7. E()&*' /- +2- (+' <'',)-0*, @&' (' ',0&',)- ', '/ ',)+,+ ' 0+,+0**',)+ ' /- &,*- &,+ 5 '(0*- /+( +/'-( @&' (' '(',)-, ', '/ '(0-/-+ '(' '/ &,)+ ' 2*()- ' /- -*'-0*, /- '()'*/*-0*, 5 '/ 0+,)+/ '/ +0'(+ ' <'',)-0*,. P+ @&; '()=, *+)-,)' /- '()-*/*- ', &, <'',)-+ *,&()*-/> El mantenimiento de un amiente aséptico $ unas condiciones aeróicas son" proalemente" los dos puntos de ma$or relevancia que !a$ que considerar. Los fermentadores m*s ampliamente utili%ados a nivel industrial est*n provistos de mecanismos de agitación" dispersión $ aireación así como de sistemas para el control de la temperatura" p- $ formación de espuma. En los reactores de tipo =air lift/" el mismo aire in $ectado promueve la agitación. 9*sicamente consiste en dos cilindros concéntricos $ por la ase de uno de ellos" por e2emplo el interior" se in$ecta aire. (e este modo se genera una circulación de líquido ascendente en el compartimento interno $ descendiente en el externo" lo que favorece el me%clado. Factores fisicoquímicos que afectan al rendimiento de las fermentaciones industriales :.5 4xígeno 8.5emperatura >.5 p?na adecuada agitación de un cultivo microiano es esencial para la fermentación $a que produce los siguientes efectos en las tres fases
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a. Incrementar la velocidad de transferencia de oxígeno desde las uru2as de aire al medio líquido& los microorganismos no pueden utili%ar oxígeno gaseoso" sino solamente el q ue se encuentra en disolución. . Aumentar la velocidad de transferencia de oxígeno $ nutrientes desde el medio a las células. (eido al movimiento se evita que las células creen *reas estancadas con a2os niveles de oxígeno $ nutrientes.> Impedir la formación de agregados celulares. c. Aumentar la velocidad de transferencia de productos metaólicos de las células al medio. d. Aumentar la tasa o la eficiencia de la transferencia de calor entre el medio $ las superficies de refrigeración del fermentador
". D')'*,' + '*+ ' &, '(@&'- /-( ')--( ' &, +0'(+ <'',)-)*2+ - ,*2'/ *,&()*-/ 5 '?/*@&' 0-- &,+ ' /+( -(+(.
9. D' -0&'+ - /- +2- (+' <'',)-0*, R'-/*0' &, 0&-+ 0+--)*2+ +,' *<'',0*' /+( )*+( ' <'',)-0*, *,&()*-/ 5 /+( '0-,*(+( ' +)',0*, ' +&0)+( <'',)-)*2+. Los tipos de fermentación industrial se dan por la degradación de alguna especie de microorganismo dando como resultado productos finales que son diversos como# polisac*ridos est* el almidón" celulosa $ quitina& disac*ridos como la lactosa $ maltosa entre otros. 11
Existen varios tipos de fermentación como# Fermentación por excelencia 1glucólisis3 • Fermentación a partir de piruvato • Putrefacción • En función de los flu2os de entrada $ salida" la operación de un iorreactor puede ser de tres modos distintos
BATC O DISCOTINUA 7istema cerrado
A lo largo de toda la fermentación no se a'ade nada" excepto oxígeno 1en forma de aire3" una gente antiespumante $ *cidos o ases para controlar el p-.
ALIMENTADO O FEDK BATC ?na me2ora del proceso cerrado discontinuo es la fermentación alimentada En los procesos alimentados" los sustratos se a'aden escalonadamente a medida que progresa la fermentación
)uando se !a alcan%ado el nivel deseado de reacción" se vacía el reactor" se limpia $ el proceso se repite En los procesos comerciales la fermentación frecuentemente se interrumpe al final de la fase logarítmica 1metaolitos primarios3 o antes de que comience la fase de muerte 1metaolitos secundarios3
a formación de muc!os metaolitos secundarios est* sometida a represión cataólica 1efecto glucosa3 Los elementos críticos de la solución de nutrientes se a'aden en peque'as concentraciones al principio de la fermentación $ contin+an a'adiéndose a peque'as dosis durante la fase de producción.
(ificultad de controlar la velocidad de crecimiento" excepto variando la composición del medio o las condiciones de proceso Alta demanda de oxígeno puede generar una limitación deido a una insuficiente capacidad del
+til en procesos en los que el crecimiento celular $@o la formación de producto son sensiles a la concentración del sustrato limitante 7e emplea cuando se quieren evitar fenómenos de in!iición por sustrato $ se requiere
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COTINUO O UIMIOSTATO sistema aierto
La solución nutritiva estéril se a'ade continuamente al iorreactor $ una cantidad equivalente de solución utili%ada de los nutrientes" con los microorganismos 4pera por periodos largos& tiempos muertos a2os.
El medio nutriente es inoculado con el cultivo microiano al entrar al reactor $ los organismos llevan a cao su actividad a medida que el líquido flu$e a través del sistema $ salen del sistema 2unto con el medio. Los organismos pueden separarse de la corriente que lleva al producto $ reciclarse para inocular el líquido de alimentación Alto costo por alta calidad de equipos $ accesorios.56equiere gran reservorio para
reactor para transferir 48 al alcan%ar una alta concentración almacenamiento de medio o medio de iomasa. suministro continuado de sustrato Inconvenientes para remover Limitar la demanda de 48 del El cultivo se mantiene con calor. cultivo coeficientes de crecimiento constante" crecimiento alanceado" composición celular constante. iempos muertos entre procesos 4tener altas concentraciones eneración de iomasa disminu$e la productividad de sustrato evitando el efecto constante como productividad osmótico $ tóxico de nutrientes $ conversión.5 ,aximi%ar el crecimiento Bolumen de reactor reducido celular 1efecto)ratree en en comparación a la levaduras3 productividad similar en proceso por lotes 7e incrementa el riesgo de contaminación deido a la amplia operación Posiilidad de mutación" incremento de fagos por los camios genéticos deido a la presencia de plasmidios e incremento de estos
1. E, /- +2- (+' <'',)-0*,. I',)*<*@&' /+( <-0)+'( @&' &'', -/)'- /- +&00*, ' ',*-( ' *,)';( '0+,*0+ - -)* ' *0++8-,*(+( ', &, +0'(+ *,&()*-/ '?/*@&' - )-2;( ' &, ''/+ 0-- &,+ ' '//+(. Existen varios prolemas en el control de la temperatura" de la aireación $ de la !umedad" por ello se prefieren los cultivos sumergidos a los cultivos en superficie. Los cultivos en medio líquido" profundos" agitados" son me2or adaptados a los diferentes controles mediante métodos modernos $ reducen los riesgos de contaminación. Adem*s se prestan me2or a las operaciones de extrapolación $ de optimi%ación necesarias para el paso del fermentador piloto de laoratorio al fermentador industrial. Los factores que pueden afectar la producción de en%imas a partir de un proceso industrial son# 5 La a2a especificidad# Aunque en la industria las en%imas sean utili%adas para la !idrólisis de macromoléculas comple2as en las cuales los sitios de acoplamiento con" frecuencia se 13
desconocen" el efecto gloal que se usca involucra" generalmente" la utili%ación de un tipo preciso de en%ima. 5 El valor de p-# Este factor tiene una influencia variale seg+n las en%imas& algunas de ellas" como la proteasa alcalina a+n son activas a p- C :;" en tanto que las en%imas f+ngicas funcionan a+n a p- C >. 5 El valor de la temperatura# eneralmente" quienes utili%an en%imas se interesan en poder disponer de en%imas que soporten temperaturas elevadas" $a que estas temperaturas conservan en parte la esterilidad del medio de fermentación.
• • • • • • •
pemperatura ransporte de oxigeno Interacciones alostéricas In!iición competitiva In!iición no competitiva In!iición irreversile
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BIBLIOGRAFIA 9?I6A4" D4-ANA )A64LINA& END4" (4LL I77ELLE.18;;3.49EN)I4N (E ?N 7?76A4 FE6,ENA9LE (E 46IEN BEEAL 7? EBAL?A)I4N )4N )EL?LA7 LI96E7 (E saccharomyces cerevisiae. En# !ttp#@@2averiana.edu.co@ilos@tesis@
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