Microorganismos Utilizados En La Industria

MICROORGANISMOS UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA

Según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, la biotecnología podría definirse como "toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos" Existen una serie de características que comparten todos los microorganismos y que suponen ciertas ventajas para su uso en la industria. la más fundamental, el pequeño tamaño de la célula microbiana y su correspondiente alta relación de superficie a volumen. Esto facilita el rápido transporte de nutrientes al interior de la célula y permite, por consiguiente, una elevada tasa metabólica. Así, la tasa de producción de proteína en las levaduras es varios órdenes de magnitud superior que en la planta de soja, que, a su vez, es 10 veces más alta que en el ganado. Esta velocidad de biosíntesis microbiana extremadamente alta permite que algunos microorganismos se reproduzcan en tan solo 20 minutos (Escherichia coli).

Los ambientes capaces de albergar vida microbiana son muy variados. Se han encontrado especies que viven a temperaturas comprendidas entre el punto de congelación del agua y el punto de ebullición, en agua salada y dulce, en presencia y en ausencia de aire. Algunos han desarrollado ciclos de vida que incluyen una fase de latencia en respuesta a la falta de nutrientes: en forma de esporas permanecen inactivos durante años hasta que el medio ambiente, más favorable, permita el desarrollo de las células. Los microorganismos se hallan capacitados para acometer una extensa gama de reacciones metabólicas y adaptarse así a muchas fuentes de nutrición. Versatilidad que hace posible el que las fermentaciones industriales se basen en nutrientes baratos.

Un microorganismo de uso industrial debe producir la sustancia de interés; debe estar disponible en cultivo puro; debe ser genéticamente estable y debe crecer en cultivos a gran escala. Otra característica importante es que el microorganismo industrial crezca rápidamente y produzca el producto deseado en un corto período de tiempo. El microorganismo debe también crecer en un relativamente barato medio de cultivo disponible en grandes cantidades. Además, un microorganismo industrial no debe ser patógeno para el hombre o para los animales o plantas.

Otro requisito importante es la facilidad de separar las células microbianas del medio de cultivo; la centrifugación es dificultosa o cara a gran escala. Los microorganismos industriales más favorables para esto son aquellos de mayor tamaño celular (hongos filamentosos, levaduras y bacterias filamentosas) ya que estas células sedimentan más fácilmente que las bacterias unicelulares e incluso son más fáciles de filtrar.

Los microorganismos que sintetizan productos útiles para el hombre representan, como máximo, unos pocos centenares de especies de entre las más de 100000 descritas en la Naturaleza. Los pocos que se han encontrado con utilidad industrial son apreciados por elaborar alguna sustancia que no se puede obtener de manera fácil o barata por otros métodos.

1.- Levaduras

Las levaduras se vienen utilizando desde hace miles de años para la fabricación de pan y bebidas alcohólicas. La levadura que sin duda fue la primera y aún hoy en día sigue siendo la más utilizada por el hombre es Saccharomyces cerevisiae de la que se emplean diferentes cepas para la fabricación de cerveza, vino, sake, pan y alcoholes industriales. Kluyveromyces fragilises una especie fermentadora de la lactosa que se explota en pequeña escala para la producción de alcohol a partir del suero de la leche. Yarrowia lipolytica es una fuente industrial de ácido cítrico. Trichosporum cutaneum desempeña un importante papel en los sistemas de digestión aeróbica de aguas residuales debido a su enorme capacidad de oxidación de compuestos orgánicos, incluídos algunos que son tóxicos para otras levaduras y hongos, como los derivados fenólicos.

2.- Hongos filamentosos

Los hongos tienen una gran importancia económica, no tan sólo por su utilidad, sino también por el daño que pueden causar. Los hongos son responsables de la degradación de gran parte de la materia orgánica de la Tierra, una actividad enormemente beneficiosa ya que permite el reciclaje de la materia viva. Por otro lado, los hongos causan gran cantidad de enfermedades en plantas y animales y pueden destruir alimentos y materiales de los que depende el hombre.

Los efectos perjudiciales de los hongos están contrarrestados por su utilización industrial. Los hongos son la base de muchas fermentaciones como la combinación de soja, habichuelas, arroz y cebada que dan lugar a los alimentos orientales miso, shoyu y tempeh. Los hongos son también la fuente de muchos enzimas comerciales (amilasas, proteasas, pectinasas), ácidos orgánicos (cítrico, láctico), antibióticos (penicilina), quesos especiales (Camembert, Roquefort) y, evidentemente, de las setas.

3.- Bacterias

Entre las especies bacterianas de interés industrial están las bacterias del ácido acético, Gluconobacter y Acetobacter que pueden convertir el etanol en ácido acético. El género Bacillus es productor de antibióticos (gramicidina, bacitracina, polimixina), proteasas e insecticidas. Del género Clostridium cabe destacar Clostridium acetobutylicum que puede fermentar los azúcares originando acetona y butanol. Las bacterias del ácido láctico incluyen, entre otras, las especies de los géneros Streptococcus y Lactobacillus que producen yogur. Corynebacterium glutamicum es una importante fuente industrial de lisina. El olor característico a tierra mojada se debe a compuestos volátiles (geosmina) producidos por Streptomyces aunque su principal importancia radica en la producción de antibióticos como anfotericina B, kanamicina, neomicina, estreptomicina,

Los microorganismos en la industria alimentaria

En contra de la idea de que todos los microorganismos son dañinos, los yogures y los quesos son ejemplos de alimentos a los que se añaden éstos para, por ejemplo, agriar la leche y producir yogur, u obtener la cubierta blanca característica del queso Brie o el color azul del queso Roquefort. De un tamaño más o menos similar es el sector de frutas y verduras, en el que los productos pueden no haber sufrido ninguna alteración o estar enlatados, congelados, refrigerados o fritos.tetraciclina, etc.

Su uso, se debe a que los microorganismos, al realizar procesos de fermentación, liberan moléculas orgánicas al medio donde se desarrollan, algunas de las cuales tienen utilidad para el hombre; es el caso del ácido láctico (fermentación láctica) y el alcohol etílico y CO2 (fermentación alcohólica). Los microorganismos que realizan fermentación láctica ( bacterias y algunos hongos) son utilizados industrialmente para la obtención del queso y otros productos lácteos; los que realizan fermentación alcohólica (levaduras) son utilizados para la obtención del vino, cerveza y otras bebidas alcohólicas.

Fermentaciones lácticas: fabricación del queso:

La elaboración del queso y otros productos lácteos, como yogurth, cuajada y requesón, se debe fundamentalmente a las bacterias lácticas (Lactobacillus, Streptococus y Leuconostoc) , que se desarrollan en la leche. Hidrolizan el azúcar de la leche, la lactosa, en glucosa; por fermentación, la glucosa se degrada liberando energía (los 2 ATP de la glucolisis) y como producto final se obtiene ácido láctico.Las técnicas de fabricación del queso y de las leches fermentadas son muy antiguas y se cree que nacieron como un medio de conservar la leche, ya que el ácido láctico actúa como un conservante natural, evitando, por el pH ácido que origina en la leche, que se desarrollen en ella microorganismos patógenos. La elaboración del queso se lleva a cabo en tres etapas:

- Adición a la leche de renina, también llamada cuajo, una enzima que se extrae del estómago de los rumiantes. En combinación con el ácido láctico producido por las bacterias lácticas, la renina provoca la precipitación de las proteínas lácticas formando un producto sólido, la cuajada, que se separa posteriormente del componente líquido, el suero lácteo. - Separación de la cuajada del suero mediante un proceso de filtración. La filtración se realiza haciendo pasar el suero a través de telas limpias. A continuación, se añade sal a la cuajada. - Maduración del queso. Según el tipo de queso, en esta etapa final intervienen otras bacterias responsables del sabor y el olor propios de cada variedad de queso. En algunas variedades de queso también intervienen hongos, como el Penicilliurn roquefortü responsable del color, olor y sabor característicos del queso de roquefort.

Fermentaciones alcohólicas:

Se basan en la acción de levaduras (hongos unicelulares) sobre materiales ricos en glucosa. Estas levaduras degradan la glucosa a alcohol etílico, liberando CO2. Esta degradación proporciona a las levaduras energía (los 2 ATP de la glucosilis) Fabricación del vino El vino es un producto que se obtiene de la fermentación alcohólica del zumo de uva, realizada por levaduras (Sacharomyces ellipsoideus) que están en la superficie de las uvas. La elaboración del vino implica los siguientes procesos: Se inicia triturando las uvas en una máquina hasta obtener un zumo rico en glucosa y fructosa llamado mosto. El mosto se trasvasa a grandes cubas, que pueden ser de madera , de acero o de cemento y se espera unos días a que las levaduras degraden la glucosa de la uva en alcohol etílico. El CO2 liberado en la fermentación se evapora o se elimina artificialmente, excepto en el caso de algunos vinos espumosos. Posteriormente, el vino se traslada a cubas de sedimentación donde precipita un residuo orgánico (orujo). El vino decantado continúa la fermentación algún tiempo

más; para aclararlo, es decir, para eliminar la turbidez que puede tener debido a ciertos componentes, se provoca su precipitación y luego se filtra el vino. A continuación el vino se trasvasa a cubas de roble para su envejecimiento, que tiene como finalidad que el vino adquiera ciertas características de color, aroma y sabor; este proceso puede durar años, como es el caso de algunos tipos de vinos.

Fabricación de la cerveza:

Requiere un proceso más complicado desde el punto de vista tecnológico, ya que implica la obtención previa de la malta: se llama así a los granos de cebada germinados, que se tuestan y a continuación se muelen. A este material, rico en glucosa, se le añaden levaduras (Sacharomyces cerevisiae), que desarrollarán una fermentación alcohólica. El sabor amargo de la cerveza se obtiene añadiéndole las flores de lúpulo y el color que caracteriza a cada tipo de cerveza se obtiene tostando más o menos la malta. Fabricación del pan Es un proceso que se realiza desde la antigüedad. Los microorganismos que intervienen en la fabricación del pan son las mismas levaduras que se usan en la obtención de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae); de hecho, se obtienen industrialmente como un subproducto en la fabricación de la cerveza. La elaboración del pan consiste en mezclar, en un primer paso, harina, agua, sal y levadura. Al entrar en contacto con el agua, las enzimas amilasas presentes en la harina se activan e hidrolizan el almidón liberando glucosa que es fermentada por la levadura. El CO2 resultante queda atrapado en el interior de la masa y forma un gran número de pequeñas burbujas que determinan el aspecto esponjoso de la misma. La cocción de la masa elimina el etanol producido en la fermentación y destruye las células de levadura. Así mismo, tiene lugar una reducción importante en el contenido de agua.

Los microorganismos en la industria farmacéutica

La industria farmacéutica ha utilizado siempre diferentes organismos para obtener medicamentos. Actualmente se realizan campañas de experimentación de productos obtenidos a partir de diferentes seres de los océanos o de las selvas. Uno de los peligros de la pérdida de la biodiversidad es que desaparezcan organismos que podrían proporcionarnos nuevos remedios contra diferentes enfermedades.

Los medicamentos más importantes producidos por microorganismos son los antibióticos, sustancias químicas que matan o inhiben el crecimiento de otros microorganismos y que han reducido la peligrosidad de muchas enfermedades infecciosas. Los antibióticos comercialmente útiles están producidos, sobre todo, por hongos filamentosos y por algunas bacterias. Algunos antibióticos inhiben la síntesis de la pared celular de las bacterias: es el grupo de las penicilinas. Otros interfieren en la síntesis de proteínas de las bacterias; entre ellos destacan la estreptomicina y las tetraciclinas. La investigación de los antibióticos se centra ahora en comprender su mecanismo de acción para construir derivados artificiales que sean más eficaces. Este tipo de antibióticos se denominan “antibióticos semisintéticos”. En esta tarea de diseñar medicamentos se utilizan métodos de simulación por ordenador que permiten predecir la eficacia de una determinada molécula. Una vez identificado un compuesto prometedor, hay que sintetizarlo y ensayarlo clínicamente. En la siguiente relación vemos algunos de los antibióticos más habituales, su espectro de utilización y su modo de acción:

Ampicilina: Bacterias gram +

y gram -. Interfiere síntesis de pared celular.

Bacitracina: Bacterias gram +. Interfiere síntesis de pared celular. Cefalosporina C: Bacterias gram +. Interfiere síntesis de pared celular. Penicilina G: Bacterias gram +.Interfiere síntesis de pared celular. Cloranfenicol: Amplio espectro. Interfiere síntesis de proteínas. Tetraciclina: Amplio espectro. Interfiere síntesis de proteínas. Estreptomicina: Bacterias gram +

y gram -. Interfiere síntesis de proteínas.

Eritromicina: Bacterias gram +

y Rickettsias. Interfiere síntesis de proteínas.

La producción de vitaminas ocupa un segundo puesto en las ventas totales de las industrias farmacéuticas. Algunas vitaminas se sintetizan artificialmente; sin embargo, otras (B12, riboflavina) son demasiado complicadas para su síntesis química y se obtienen a partir de cultivos de microorganismos.

En la actualidad comienza a utilizarse un gran número de bacterias obtenidas por ingeniería genética para producir proteínas de utilidad farmacéutica. Por ejemplo, antes las personas diabéticas debían inyectarse insulina procedente de animales, lo que provocaba algunos casos de alergia. Hoy se transfiere el gen humano de la insulina a cepas de bacterias para que la produzcan en gran cantidad en fermentadores. Análogamente se fabrican hemoglobina, factores de

coagulación sanguínea, hormona de crecimiento o interferones; y se insertan en bacterias genes de virus para que produzcan grandes cantidades de proteínas víricas que luego sirven como vacunas. En investigación básica, utilizando estas técnicas podemos estudiar, incluso, las proteínas minoritarias de las células. La enorme cantidad de dinero que se mueve en el ámbito de los medicamentos y la farmacia ha desarrollado un gran interés por este campo de la biotecnología. Con ello se ha popularizado el concepto de “patente génica” por el que los investigadores o corporaciones biomédicas registran sus descubrimientos para poder comercializarlos en exclusiva durante un tiempo y así amortizar sus enormes también inversiones. Más allá de la lógica del proceso económico, esta práctica puede llevar a incrementar las desigualdades entre países más desarrollados y otros más pobres, que no podrían acceder a todos los recursos farmacéuticos.

Los microrganismos en la industria química

La biotecnología y la industria del papel:

La utilización de tecnologías enzimáticas en la industria de pulpa y papel tiene amplias perspectivas a futuro; en la medida que se avance en las investigaciones, su incorporación puede traer aparejado importantes beneficios en cuanto a mejoras en productos y procesos; reducción de costos y disminución del impacto ambiental (menores requerimientos de energía y químicos) Las aplicaciones más frecuentes se dirigen a: ▫ La reducción del uso de agentes químicos contaminantes en la etapa de pre blanqueo. (xilanasas) ▫ Blanqueamiento de pulpa. (xilanasas; celulasas) ▫ Reciclado de fibras. (endoglucanasas para mejorar la velocidad de drenaje de fibras recicladas; celulasas para incrementar la densidad de la hoja de papel y reducir su rusticidad; alfa amilasas para mejorar las propiedades del drenaje y para el destintado de fibras recicladas, etc.). ▫ La disminución de residuos y contaminantes en el proceso de reciclado. (esterasas para el control de stickies, amilasas y proteasas para la remoción del lodo; lipasas para controlar la acumulación de lodo). ▫ Modificación de fibras. (celulasas para incrementar la flexibilidad de las fibras, celulasas, xilanasas y lacasas para incrementar la densidad de las hojas, etc.) ▫ Tratamiento de efluentes de la industria (enzimas y biodispersantes) • La biotecnología y el medio ambiente

Las biotecnologías pueden cumplir un importante rol en el cuidado del ambiente desde sus posibilidades de prevenir y remediar los problemas ambientales derivados de las actividades productivas. - Tecnologías más limpias. Las “biotecnologías blancas” buscan reemplazar las tecnologías contaminantes en procesos industriales disminuyendo a la vez la emisión de residuos. Por ejemplo, las tecnologías enzimáticas permiten reemplazar o reducir la utilización de sustancias químicas agresivas con el ambiente en procesos mas limpios y seguros. - Biorremediación. Consiste en la utilización de microorganismos, enzimas, hongos o plantas especializados capaces de degradar deshechos peligrosos para remover los contaminantes orgánicos (efluentes y residuos sólidos domésticos e industriales, petróleo, pesticidas, etc.), inorgánicos (mercurio, plomo, cobre, cianuros, etc.) y gaseosos (metanos, compuestos volátiles, etc.) del medio ambiente. A partir de la modificación genética es posible incrementar su capacidad de degradación de los contaminantes.

La biotecnología y la energía:

Un área de gran relevancia y rápido desarrollo de la biotecnología es la producción de energía a partir de recursos renovables (biomasa) para generar fuentes de energías limpias, base de un desarrollo sustentable. Entre los combustibles de origen biológico se encuentran: ▫ Bioetanol. El bioetanol se obtiene a partir de la fermentación de la biomasa. La producción biotecnológica de etanol se basa en la acción fermentativa de las levaduras sobre un sustrato adecuado. Se ha empleado la ingeniería genética para obtener microorganismos más productivos y tolerantes al etanol, o capaces de fermentar diferentes materias primas. ▫ Biodiesel. El biodiesel se produce por transformación química de aceites vegetales. El biodiesel es un combustible formado por ésteres (etílicos o metílicos) producidos a partir de la reacción química entre aceites vegetales y el alcohol. El biodiesel puede usarse sólo o mezclado con biodiesel convencional. ▫ Biogas. El gas producido por la digestión microbiana de la materia orgánica en un biorreactor (o biodigestor) pueden ser utilizado como fuente de energía térmica, eléctrica o como combustible para transporte automotor. El proceso fermentativo (biodigestión) se desarrolla sobre residuos rurales, agro-industriales, domésticos, municipales y sobre plantas. Una vez finalizado el proceso de biodigestión, el biogas puede usarse directamente o almacenarse tanto para consumo doméstico como para generar energía eléctrica. También puede purificarse y ser almacenado para su utilización en el encendido de motores de automóviles.

La biotecnología y la química:

La biotecnología se puede utilizar para reemplazar la síntesis química por microorganismos capaces de realizar la secuencia de reacciones necesarias entre el sustrato y el producto final. La fermentación es utilizada corrientemente en procesos de producción farmacéutica, agroquímica, de aditivos alimentarios, aminoácidos, vitaminas y enzimas. Además, el mejoramiento de las cepas industriales por ingeniería genética permite aumentar la eficiencia de los procesos biotecnológicos y obtener productos nuevos. Los biotecnólogos han focalizado su atención sobre productos clásicos de la industria química como los plásticos. Los plásticos convencionales representan un problema ambiental desde el momento en que son obtenidos a partir de combustibles fósiles y no son biodegradables. Por esto la búsqueda se ha orientado al desarrollo de plásticos biodegradables a partir de materias primas renovables, derivadas de plantas y bacterias (plásticos a partir de almidón, bacterias o plantas modificadas genéticamente).