- ¿CUALES SON LOS MICROORGANISMOS QUE SE UTLIZAN?
- PROCESO PARA PRODUCIR BIOMASA CON MICROORGANISMOS
- OBTENCION DE PROTEINAS MICROBIANAS APARTIR DE PUENTES NO CONVENCIONALES
1.-¿CUALES SON LOS MICROORGANISMOS QUE SE UTILIZAN?
LOS MICROORGANISMOS EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS
MICROORGANISMOS Y ALIMENTO
Habitualmente,
los microorganismos tienen mala fama. Se los asocia a las enfermedades y al
deterioro de los alimentos. Sin embargo, cumplen muchas funciones beneficiosas
para otros seres vivos y el ambiente. Además, el hombre ha aprendido a
aprovecharlos en beneficio propio. Por ejemplo, en la producción de alimentos.
La biotecnología
alimentaria tradicional utiliza ampliamente los microorganismos, que
intervienen en diferentes etapas de las producción del alimento. Son esenciales
para la producción de muchos alimentos, como el vino, la cerveza, panificados,
productos lácteos, entre otros. En muchos de estos productos los
microorganismos hacen su función durante el proceso de producción, pero no
están presentes como células vivas en el producto alimentario. En otros, los
microorganismos están presentes en el producto, como en muchos productos
lácteos.
Los
microorganismos se usan también ampliamente para producir suplementos y
aditivos (por ej. vitaminas, conservantes, aromatizantes y colorantes
naturales), o aditivos para el procesado, como las enzimas. Las enzimas
purificadas a partir de microorganismos se utilizan para producir ingredientes
como el jarabe de maíz rico en fructosa.
Muchos
microorganismos, que tienen una larga tradición de utilización en la industria
alimentaria, se han modificado mediante técnicas tradicionales de mutagénesis y
de selección. Esto ha permitido un uso cada vez más eficiente y controlado de
los microorganismos. Además, en los últimos años se han desarrollado las
herramientas para poder mejorarlos por técnicas de ingeniería genética, lo que
ha hecho aún más eficiente su aprovechamiento.
La definición
clásica de microorganismo considera que es un organismo microscópico
constituido por una sola célula o agrupación de células. Se consideran como
tales a las bacterias, los hongos (levaduras y hongos filamentosos muy
pequeños), e incluye también a los virus, aunque la estructura de ellos es más
simple y no llega a conformar una célula.
Bacterias. La
célula procariota típica de una Eubacteria posee pared celular, membrana
citoplasmática y el citoplasma sin organelas ni divisiones, en el cual el
material genético (un solo cromosoma circular) se encuentra suelto en el
citoplasma ya que no existe envoltura nuclear, en una región conocida como
nucleoide. Algunas especies contienen plásmidos, que son pequeñas moléculas
circulares de ADN que suelen codificar para genes que le otorgan a la bacteria
ciertas ventajas adaptativas, como por ejemplo: enzimas que le permiten degradar
distintas fuentes de carbono, enzimas que producen antibióticos o incluso otras
enzimas que le permiten tolerar la presencia de ciertos antibióticos.
Entre las
especies bacterianas de interés industrial están las bacterias del ácido
acético, Gluconobacter y Acetobacter que pueden convertir el etanol en ácido
acético, principal componente del vinagre. Las bacterias del ácido láctico
incluyen, entre otras, las especies de los géneros Streptococcus, Lactobacillus
y Leuconostoc que producen yogur y queso.
Hongos Las
levaduras son organismos eucariontes, y como tales tienen el material genético
en el núcleo, cuentan
con organelas y sistema de membranas (mitocondrias, retículos, etc), y tienen
pared celular. La levadura más conocida y utilizada para la mayoría de los
procesos fermentativos es Saccharomyces cerevisiae (ver Cuaderno 50). Con ella
se produce el pan, el vino y la mayoría de las demás bebidas alcohólicas.
Existen otros
tipos de hongos asociados a los alimentos y que no son levaduras. Se trata de los
hongos filamentosos, pluricelulares que presentan regiones del cuerpo
diferenciadas. Sus células son eucariontes, con pared celular. Dentro del grupo
de los hongos filamentosos se encuentran aquellos que son fuente de enzimas
comerciales (amilasas, proteasas, pectinasas), ácidos orgánicos (cítrico,
láctico), quesos especiales (Camembert, Roquefort) y de las setas.
USO DE
MICROORGANISMOS A ESCALA INDUSTRIAL
El uso de
microorganismos para la obtención de alimentos es una de las aplicaciones más
antiguas de la biotecnología. En la actualidad se han ido seleccionando las
mejores cepas y se han desarrollado grandes industrias y economías en base a
ellos.
Ya sea bacteria
o levadura, existen varias características que debe cumplir un microorganismo
para su uso en la industria:
El tamaño de la
célula debe ser pequeño para facilitar el intercambio de sustancias con el
entorno y permitir, de esta forma, una elevada tasa metabólica.
·
Producir
la sustancia de interés.
·
Estar
disponible en cultivo puro.
·
Ser
genéticamente estable.
·
Crecer
en cultivos a gran escala.
·
Crecer
rápidamente y obtener el producto deseado en un corto período de tiempo.
·
No
ser patógeno para el hombre o para los animales o plantas.
·
El
medio de cultivo debe estar disponible en grandes cantidades y ser
relativamente barato.
LA FERMENTACIÓN
El proceso común
que interviene en la fabricación del pan, el vino y los quesos (por citar sólo
algunos alimentos), es la fermentación que realizan los microorganismos
presentes en la materia prima. El término fermentación es entendido de forma
distinta en el contexto de la biología celular que en el contexto industrial.
En el sentido
biológico la fermentación es un proceso de obtención de energía en condiciones
anaeróbicas (ausencia de oxígeno) que puede generar como producto final ácido
láctico (fermentación láctica, por las bacterias ácido-lácticas) o etanol
(fermentación alcohólica por levaduras).
La reacción de
la fermentación láctica sería:
Glucosa
---------> Ácido Láctico + energía + H2O
La reacción de
la fermentación alcohólica sería:
Glucosa ------->
Etanol + energía + CO2
En el contexto
industrial, se denomina fermentación a un proceso microbiano a gran escala,
tanto si se realiza en condiciones aeróbicas como anaeróbicas.
BACTERIAS PRODUCTORAS DE QUESO
La elaboración
del queso consta de varias etapas, que comienza con la pasteurización de la
leche. Luego se agrega el fermento que contiene las bacterias lácticas, y se
deja madurar la leche. Como consecuencia de la fermentación, en la cual las
bacterias degradan el azúcar de la leche (lactosa), se obtiene ácido láctico.
El ácido láctico desnaturaliza las proteínas de la leche (fundamentalmente
caseína) que precipitan arrastrando con ellas la grasa. Además, produce acidez
que inhibe el desarrollo de gérmenes indeseables, incluyendo los potencialmente
patógenos.
Una vez que las
proteínas de la leche han coagulado, el cuajo obtenido se calienta y se exprime
para eliminar la porción acuosa de la leche (suero), se sala y se somete a un
proceso de maduración (salvo en el caso de los quesos blandos no madurados). La
producción de cuajo se puede realizar también añadiendo quimosina, un enzima
que se extrae del estómago de los terneros, pero que en la actualidad es
producida por microorganismos modificados genéticamente.
Cada tipo de
queso es elaborado por distintas cepas de bacterias. El fermento utilizado
tiene
una importante función en el desarrollo de sabor, aroma y textura de los
quesos. Algunas bacterias lácticas generan como producto de la fermentación de
la lactosa dióxido de carbono (además de ácido láctico). Ese gas es el
responsable de los “ojos” de los quesos de pasta semidura como el Gruyere y
Pategras, y también facilita la abertura de la masa en quesos como el Roquefort
o el Camambert, lo cual es necesario para permitir el crecimiento del hongo
Penicilium (P. rocheforti y P. Camamberti, respectivamente) que le otorga las
características peculiares a estos quesos.
LEVADURAS EN LA PRODUCCIÓN DE BEBIDAS
ALCOHÓLICAS
La fermentación
a gran escala por acción de las levaduras es responsable de la producción de
alcohol para fines industriales y de bebidas alcohólicas. Las bebidas
alcohólicas más importantes que se producen industrialmente con intervención de
las levaduras son el vino (fermentación de zumo de uvas), la sidra
(fermentación del zumo de manzana), la cerveza (fermentación de cereales
malteados), y bebidas destiladas producidas por condensación del alcohol
proveniente de la fermentación.
En todos estos
procesos se utilizan levaduras del tipo Sacharomyces cerevisiae, que es la
misma que se utilizaba en la antigüedad para el mismo fin. Desde entonces, las
levaduras han sido cultivadas en laboratorio durante tanto tiempo que se han
ido seleccionando y mejorando cepas según distintas propiedades. Por ejemplo,
la mayoría de los zumos de frutas sufren una fermentación natural causada por
levaduras “silvestres” que están presentes en la misma fruta. De estas
fermentaciones naturales se han seleccionado levaduras para una producción más
controlada y hoy en día la producción de bebidas alcohólicas es una gran
industria extendida por todo el mundo. En la actualidad también es posible
mejorar este tipo de levadura por técnicas de ingeniería genética, con el
objetivo de obtener un producto de mejor calidad y más uniforme.
LA FABRICACIÓN DE CERVEZA
La cerveza se
obtiene por fermentación de cereales malteados. Las levaduras no pueden
fermentar directamente el almidón de los cereales, por lo tanto primero se
prepara la malta con los granos de cereal y enzimas que digieren el almidón de
los granos y lo convierten en azúcar. La obtención del líquido fermentable a
partir del cual se fabrican las cervezas se prepara en un proceso denominado
amasado, en el cual los cereales se cuecen y dejan macerar a temperatura
templada. Dependiendo de los cereales utilizados, la temperatura y el tiempo de
amasado, se obtendrán productos finales con distintas características. A los
cereales se le agrega también lúpulo, que da el aroma y el sabor amargo, y
actúa como antiséptico impidiendo su alteración.
Durante el
período de calentamiento, las enzimas de la malta digieren los almidones y
liberan azúcares simples que son fermentados por las levaduras. Después de
cocido, este mosto de cerveza es filtrado y sometido a varios procesos físicos
y químicos para llegar al espumoso producto final. Las levaduras que se
utilizan habitualmente en la producción de cerveza se denominan Saccharomyces
carlsbergensis y Saccharomyces cerevisiae.
La elaboración
del vino. Existe un gran número de vinos diferentes y su calidad y
características varían considerablemente. Las levaduras implicadas en la
fermentación del vino son de dos clases: las “silvestres” que se encuentran en
las uvas (tal como se cosechan) y se transfieren por lo tanto al mosto, y la
levadura de vino cultivada, Saccharomyces ellipsoideus, que se añade al mosto
para comenzar la fermentación. Mientras la levadura silvestre tolera hasta un
4% de alcohol, la cultivada tolera mayores porcentajes. Dependiendo del tipo de
uva que se utiliza y de cómo se prepare el mosto (el zumo obtenido luego de
aplastar las uvas), se producirá vino blanco o tinto y las distintas variedades
de uvas darán origen a distintos tipos de vinos blancos y tintos. El vino
espumoso, como el champán, es el que contiene una cantidad considerable de
dióxido de carbono que surge de la fermentación final que realiza la levadura
dentro de la botella.
LEVADURAS EN LA ELABORACIÓN DEL PAN
Existe
constancia de la fabricación de pan y de la utilización de levaduras desde el
año 2300 a. C. en que los egipcios descubrieron de forma casual el proceso de
la fermentación. A partir de este descubrimiento, la fabricación de pan se
convirtió en un oficio que se fue extendiendo por todo el mundo. La especie de
levadura que más veces se utiliza para la fermentación del pan normal es Saccharomyces
cerevisiae, aunque se utilizan también otros microorganismos para influir sobre
el aroma y sabor del pan. Los más frecuentes son bacterias del género
Lactobacillus y otras levaduras (Saccharomyces pastorianus, Saccharomyces
ellipsoideus, Mycoderma cerevisiae, Torula utilis) y muchas otras con las que
se obtienen diferentes resultados. El proceso que ocurre en la elaboración del
pan es también una fermentación alcohólica. Utilizando los componentes de la
harina, la levadura fermenta expulsando al medio dióxido de carbono y alcohol.
El alcohol obtenido se evapora en el momento del horneado del pan, y el dióxido
de carbono desprendido de dicha fermentación, en vez de convertirse en burbujas
como en el champán o en la cerveza, es el responsable de los agujeritos y
aspecto esponjoso de la miga del pan.
MICROORGANISMOS MODIFICADOS GENÉTICAMENTE
Desde la década
de 1990 se están empleando y se están desarrollando microorganismos modificados
genéticamente que podrían favorecer a la industria alimenticia. Entre ellos: levaduras
de pan que hacen que la masa eleve más rápido,levaduras capaces de utilizar de
mejor forma los carbohidratos presentes en las materias primas convencionales.
Las levaduras modificadas genéticamente para metabolizar un amplio espectro de
azúcares también ayudan a reducir los niveles de desechos contaminantes en los
efluentes de las industrias. Bacterias lácticas (que se adicionan al yogurt),
que permitan mantener un yogurt fresco durante muchas semanas sin el riesgo de
que se vuelva ácido o amargo.
Cultivos
modificados que protejan a los alimentos de la acción de otras bacterias que
podrían provocar el envenenamiento de los alimentos.
Cultivos
lácteos iniciales que producen compuestos saborizantes para resaltar el sabor
del
alimento, y capaces de resistir la contaminación viral que arruina la
producción de lácteos.
ETAPAS POSTERIORES DE PROCESAMIENTO: EXTRACCIÓN Y PURIFICACIÓNDE PROTEÍNASLISIS CELULAR
MÉTODOS FISICOS DE LISIS CELULAR
•Choque osmótico.
2.-PROCESO PARA PRODUCIR BIOMASA CON MICROORGANISMOS
PROTEÍNA
MICROBIANA
Las proteínas son macromoléculas formadas por cadenas
lineales de aminoácidos. El nombre proteína
proviene de la palabra griega πρώτα ("prota"), que significa "lo
primero" o del dios Proteo, por la cantidad de formas que pueden
tomar. Las proteínas desempeñan un papel
fundamental en los seres vivos y son las biomoléculas más versátiles y
más diversas. Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes, entre las
que destacan:
•Estructural (colágeno y queratina)
•Reguladora (insulina y hormona del crecimiento)
•Transportadora (hemoglobina)
•Defensiva (anticuerpos)
•enzimática (sacarasa y pepsina)
•Contráctil (actina y miosina).
Las proteínas de todo ser vivo
están determinadas mayoritariamente por su genética(con excepción de algunos péptidos antimicrobianos de síntesis no
ribosomal), es decir, la información genética determina en gran medida qué
proteínas tiene una célula, un tejido y un organismo. Las proteínas se sintetizan dependiendo de cómo se
encuentren regulados los genes que
las codifican. Por lo tanto, son susceptibles a señales o factores externos. El
conjunto de las proteínas expresadas
en una circunstancia determinada es denominado proteosoma.
CARACTERÍSTICAS
Los prótidos o proteínas son
biopolímeros, es decir, están constituidas por gran número de
unidades estructurales simples repetitivas (monómeros). Debido a su gran tamaño, cuando estas moléculas se dispersan en un disolvente
adecuado, forman siempre dispersiones
coloidales, con características que las diferencian de las disoluciones
de moléculas más pequeñas. Por hidrólisis,
las moléculas de proteína se escinden en numerosos compuestos relativamente simples, de masa molecular pequeña,
que son las unidades fundamentales
constituyentes de la macromolécula. Estas unidades son los aminoácidos, de los cuales existen veinte especies
diferentes y que se unen entre sí mediante enlaces peptídicos. Cientos y
miles de estos aminoácidos pueden participar en la formación de la gran
molécula polimérica de una proteína. Todas
las proteínas tienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y casi todas poseen
también azufre. Si bien hay ligeras variaciones en diferentes proteínas, el contenido
de nitrógeno representa, por término medio, 16% de la masa total de la molécula;
es decir, cada 6,25 g de proteína contienen 1 g de N. El factor 6,25 se utiliza
para estimar la cantidad de proteína
existente en una muestra a partir de la medición de N de la misma. La síntesis proteica es un proceso complejo
cumplido por las células según las directrices de la información
suministrada por los genes.
Las proteínas son largas cadenas de aminoácidos unidas
por enlaces peptídicos entre el grupo carboxilo
(-COOH) y el grupo amino (-NH2) de residuos de aminoácido adyacentes. La secuencia de aminoácidos en una
proteína está codificada en su gen(una
porción de ADN) mediante el código genético. Aunque este código genético especifica
los 20 aminoácidos "estándar" más la selenocisteína y —en ciertos
Archaea— la pirrolisina, los residuos en una
proteína sufren a veces modificaciones química hacen la modificación
postraduccional: antes de que la proteína sea funcional en la célula, o como
parte de mecanismos de control. Las proteínas también pueden trabajar juntas para cumplir una función particular, a menudo
asociándose para formar complejos proteicos estables.
FUNCIONES
Las proteínas ocupan un lugar de
máxima importancia entre las moléculas constituyentes
de los seres vivos (biomoléculas). Prácticamente todos los procesos biológicos
dependen de la presencia o la actividad de este tipo de moléculas. Bastan algunos
ejemplos para dar idea de la variedad y trascendencia de las funciones que desempeñan.
Son proteínas:
•Casi todas las
enzimas, catalizadores de reacciones químicas en organismos
• Muchas hormonas, regulan
la hemoglobina
y otras moléculas con funciones
•Los anticuerpos,
encargados de acciones de defensa natural controlan los receptores de las células, a los cuales se fijan moléculas capaces de
desencadenar la
actina y la miosina, responsables finales del acortamiento del músculo
•El colágeno, integrante de fibras altamente
resistentes en tejidos de sostén.
ESTRUCTURA
Es la manera como se organiza una proteína para
adquirir cierta forma. Presentan una disposición
característica en condiciones fisiológicas, pero si se cambian estas condiciones como temperatura, pH, etc. pierde la
conformación y su función, proceso denominado desnaturalización. La función
depende de la conformación y ésta viene determinada por la secuencia de
aminoácidos. Para el estudio de la estructura es frecuente considerar una
división en cuatro niveles de organización, aunque el cuarto no siempre está
presente. Conformaciones o niveles estructurales de la disposición
tridimensional:
• Estructura primaria.
• Estructura secundaria.
• Nivel de dominio.
• Estructura terciaria.
• Estructura cuaternaria .A partir del nivel de
dominio sólo las hay globulares.
ETAPAS POSTERIORES DE PROCESAMIENTO: EXTRACCIÓN Y PURIFICACIÓNDE PROTEÍNASLISIS CELULAR
Para obtener proteínas
intracelulares de los microorganismos existen tres métodos generales;
enzimáticos, químicos o físicos. No todas las metodologías pueden ser utilizadas en procesos a gran escala. Quizás el ejemplo mas destacado es
las onicación, que es el método más empleado en la obtención de proteínas en el
laboratorio.
MÉTODOS ENZIMATICOS DE RUPTURA CELULAR
La lisozima cataliza de forma
específica, la hidrólisis de enlaces β- 1,4-glucisidícospresentes en los mucopéptidos de las paredes celulares de las bacterias.
Las bacterias Gram-positivas son las que presentar mayor
sensibilidad a la lisozima. Sin embargo, la ruptura final de la envoltura celular,
depende a menudo de la presión osmótica del medio de suspensión una vez que se ha
digerido la pared. En las bacterias
gran-negativas la ruptura de la pared celular se consigue con lisozima y la adición de EDTA, que actúa como agente que lante
de iones metálicos, origina generalmente
la lisis celular. Esta técnica no se puede utilizar para extracciones a gran
escala de enzimas bacterianas debido al costo relativamente alto de la
lisozima. En situaciones concretas se ha
empleado glucanasas microbianas para hidrolizar las paredes de las levaduras,
que contienen β-1,3 glucano, y la lisoestafina empleada para liberar
proteínas de estafilococos por ejemplo, la proteína A de
S. aureus.
MÉTODOS QUIMICOS DE LISIS CELULAR
• Álcali
Este método ha sido utilizado con
considerable éxito para la extracción de proteínas bacterianas a pequeña y gran escala. Por ejemplo la enzima terapéutica L-asparaginasa puede liberarse por tratamiento de Erwinia
chrysanthemi a un pHalcalino entre 11.0 y 12.5, durante 20 minutos.
El éxito del tratamiento depende
de la estabilidad en álcali del
producto a obtener. El elevado pH puede inactivar las proteasas y este método también es valioso en la inactivación lisis de microorganismos
manipulados por ingeniería genética.
DETERGENTES
Los detergentes, tanto iónicos, como es el caso del la
uril sulfato sódico, colato sódico (aniónico) y el bromuro de
cetiltrimetilamonio (catiónico), o no-iónicos, por ejemplo eltritón X-100, X-450 o incluso el Tween, se han
utilizado para favorecer la lisis celular. Los detergentes iónicos son más
reactivos que los detergentes no-iónicos y pueden ocasionar la
desnaturalización de muchas proteínas.
La presencia de detergentes puede
afectar también a las etapas posteriores de purificación,
en particular a la precipitación proteica por tratamiento con sales. Esto puede
superarse en muchos casos con el uso de cromatografía de intercambio iónico por
ultrafiltración el tritón X-100 ha sido
empleado para la liberación a gran escala del colesterol oxidasa a partir de Nocardia Sp y el colato
sódico se ha utilizado para solubilizar pululanasa una enzima ligada a membrana, a partir de células intactas de
Krebsiella pneumoniae.
MÉTODOS FISICOS DE LISIS CELULAR
•Choque osmótico.
El choque osmótico ha sido
utilizado en la extracción de enzimas hidrolíticas y proteínas ligadas del
espacio periplásmico de cierto número de bacterias Gram-negativas,
incluyendo a Salmonella typhimurium y E.coli.
El método implica el lavado del cultivo de bacterias en una solución tampón para tratar de eliminar
los restos del medio de cultivo y posteriormente, por ejemplo,
resuspenderlo en tapón con sacarosaal 20%. Tras equilibrarse, las células se
recogen y resuspenden rápidamente en aguaa
una temperatura aproximada de 4°C. Solamente un 4-8% de la proteína total bacteriana
se libera por choque osmótico pero si la enzima requerida se localiza en la región peri plasmática, el choque osmótico puede
producir un incremento de 14 a 20veces en la purificación con otras
técnicas de extracción.
El empleo del choque osmótico se
está viendo favorecido con el incremento en el número de proteínas
recombinantes que se secretan al periplasma.
Homogeneización con abrasivos.
Inicialmente esta técnica se utilizaba para la
homogeneización de pastas celulares en un
mortero con polvo abrasivo tal como cristal, alúmina o kieselguhr. El sistema
ha sido desarrollado y mecanizado utilizando dispositivos desarrollados
originalmente para la homogeneización húmeda y la dispersión de pigmentos en
las industrias de impresión y pintura. Un producto típico, el Dynomill
(w. a. Bachofen, Suiza) se emplea para
liberar proteínas de una amplia variedad de microorganismos. Consiste en una cámara
que contiene bolsa de vidrio y varios discos fijos y rotatorios. La suspensión celular
se bombea en la cámara, y la rápida agitación es suficiente para romper incluso
las bacterias más resistentes. La cámara de
desintegración está refrigerada para eliminar el calor que se genera.
Un elevado número de factores influyen en la
proporción de células lisadas, entre ellos el tamaño y concentración de bolas
de vidrio, el tipo, la concentración y la edad de las células, la velocidad de agitación, el flujo a través de la cámara, la
temperatura de ruptura y la disposición de los discos del agitador,
habiéndose investigado todos ellos para levaduras y para bacterias.
TAMIZACIÓN SÓLIDA
El método implica la extrusión del material celular
congelado a través de un orificio de pequeño
diámetro y a una presión elevada, manteniendo la temperatura próxima a-20°C. Se
ha descrito un proceso semicontínuo, basado en una prensa X a escala de laboratorio,
el cual presenta un peso de 10 Kg de pasta celular bacteriana por hora a una
presión de 150 MPa y con una deficiencia del 90 % en la ruptura.
TAMIZACIÓN LÍQUIDA
Este es ahora el método de
ruptura celular de elección utilizado en la lisis a gran escala de microorganismos, estando muy extendida su aplicación tanto en
procesos industriales como de investigación. Es particularmente útil en la
ruptura de células bacterianas aunque también puede ser efectivo en la
rotura de hongos o levaduras.
Las células en una suspensión
líquida son forzadas a pasar a través de un orificio de pequeño diámetro bajo
una presión muy elevada. Para trabajos a pequeña escala se puede
emplear una versión continua de la Prensa Frech. Para trabajos a gran escala se emplea generalmente un homogeneizador que
se pensó para la producción de emulsiones en la industria lechera. Para
trabajos a gran escala el homogeneizador Manton-Gaulin es el más empleado. Las proporciones de rotura celular y de liberación
proteica dependen de diversos factores, entre los que se incluyen el
tipo de células, la concentración de las mismas y el pre tratamiento. El grado de liberación proteica de células de
levadura se describe por la ecuación empírica de primer orden.
log
(Rm/ Rm– R) = K n p2.9
Donde Rm= cantidad teórica máxima de proteína soluble que
puede ser liberada, R =cantidad de proteína soluble liberada, K = constante
dependiente de la temperatura, n= número de veces que la suspensión pasa a
través de la máquina, y p = presión de trabajo.
Ejemplos sobre el empleo de los
homogeneizadores Manton-Gaulin para la rotura a gran escala de células
microbianas. La β-galcoliyla carboxipep-tidasa a partir de
Pseudomonas spp.
Un elevado número de enzimas se
han obtenido de la bacteria termofílica Bacillusstearothermophilus, incluyendo la
gliceroquinasa y una
hexoquinasa glucosa específica.
PURIFICACIÓN INICIAL
ELIMINACIÓN DE RESTOS CELULARES
Una vez provocada la ruptura
celular, la primera etapa en la purificación de una enzima
intracelular es la separación de los restos celulares. La separación de sólidos
de líquidos es una operación clave en el aislamiento de una enzima y
normalmente se lleva a cabo por centrifugación o filtración.
CENTRIFUGAS
Existen diferentes centrífugas
con rangos de capacidad desde las de menos de 1 ml hasta aquellas que superan varios litros, capaces de aplicar una fuerza
centrífuga superior a 100.000 g. Sin embargo, para la eliminación de células
bacterianas, de restos celulares o de los precipitados proteicos es
suficiente disponer de 20.000 g.
CENTRIFUGAS DE FLUJO CONTINUO
Debido a los grandes volúmenes de líquido que es
necesario manejar al comienzo de un proceso
de purificación enzimática a gran escala, es preferible utilizar una centrífuga
de flujo continuo para eliminar el material particulado. Existe tres tipos básicos de centrífugulti cámara, la centrífuga de cámara hueca y la centrífuga de
cestillo. Las centrífugas de cámara hueca
tienen un rotor tubular que provoca un flujo de extracto elevado, el cual se
bombea en el fondo y fluye hacia la superficie de la cámara. El material particulado se deposita en las
paredes del rotor y los extractos clarificados salen por la parte
superior y son recogidos en un recipiente receptor. La facilidad para cambiar el rotor o la utilización de un mecanismo de
transporte para recuperar el sedimento han contribuido a la popularidad
de este tipo de centrífugas. Las centrífugas
de disco permiten excelentes rendimientos en la clarificación de extractos
crudos y en muchos casos el sedimento se puede eliminar sin interrumpir el proceso de centrifugación. La cámara contiene una
serie de diversos alrededor de un cono central. Al entrar los extractos, el
material particulado es arrojado al exterior, chocando con los discos y
sedimentando el material sobre la pared de la cámara .Una desventaja de este tipo de centrifugación es la perdida de actividad
cuando se descargan los sólidos
3.-OBTENCION DE PROTEINAS MICROBIANAS APARTIR DE PUENTES NO CONVENCIONALES
¿QUÉ ES LA
BIOMASA?
Biomasa, abreviatura de masa biológica,
es un término genérico que hace referencia a la cantidad de materia viva
producida por plantas, animales, hongos o bacterias, en un área determinada. Se
suele utilizar para hacer referencia al combustible energético que se obtiene
directa o indirectamente de estos recursos biológicos.
Hay otra característica que diferencia a
la biomasa de otros recursos energéticos, y es el hecho de que es un recurso
potencialmente renovable. El carbón, el gas, el petróleo y otros combustibles
fósiles, no se consideran biomasa, aunque deriven de material vivo. El tiempo
necesario para la formación de estos combustibles (millones de años) hacen que
no puedan ser considerados como renovables.
La fuente original de la energía
presente en la biomasa es el sol. Los cloroplastos (pequeñas
"factorías" presentes en las plantas) usan la energía solar (en forma
de energía luminosa, o fotones), el CO2 presente en el aire, y el agua del
suelo para fabricar carbohidratos (azúcar, celulosa, etc.). La energía original
proveniente del sol, se almacena ahora en todos estos componentes.
Alguna de esta energía almacenada se
traspasará a los animales en la cadena alimenticia. A su vez, los restos de las
plantas, los excrementos animales, etc., pueden ser vistos como almacenes de
energía solar.
La biomasa como fuente para la
producción de energía renovable puede clasificarse en:
Biomasa natural. Se produce de forma espontánea en la naturaleza, sin
intervención humana. Por ejemplo, las podas naturales de los bosques.
Biomasa residual seca. Procede de recursos generados en las
actividades agrícolas, forestales. También se produce este tipo de biomasa en
procesos de la industria agroalimentaria y de la industria de transformación de
la madera. Dentro de este tipo de biomasa, se puede diferenciar la de origen
forestal y la de origen agrícola.
Biomasa
residual húmeda.
Procede de vertidos biodegradables formados por aguas residuales urbanas e
industriales y también de los residuos ganaderos.
·
· Cultivos energéticos tanto forestales como agrícolas. Son aquellos cultivos realizados tanto
en terrenos agrícolas como forestales y que están dedicados a la producción de
biomasa con fines no alimentarios.
¿CÓMO SE TRANSFORMA LA BIOMASA EN ENERGÍA?
Hay varios métodos para transformar la
biomasa en energía, los más utilizados son los métodos termoquímicos y los
biológicos.
Métodos
termoquímicos
Estos métodos se basan en la utilización
del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están muy desarrollados
para la biomasa seca.
Hay tres tipos de procesos que dependen
de la cantidad de oxígeno presente en la transformación:
- Combustión. Se somete a la biomasa a altas temperaturas con exceso de oxígeno. Es el método tradicional para la obtención de calor en entornos domésticos, para la producción de calor industrial o para la generación de energía eléctrica.
- Pirólisis. Se somete a la biomasa altas temperaturas (alrededor de 500ºC) sin presencia de oxigeno. Se utiliza para producir carbón vegetal y también para obtener combustibles líquidos semejantes a los hidrocarburos.
- Gasificación. Se somete a la biomasa a muy altas temperaturas en presencia de cantidades limitadas de oxígeno, las necesarias para conseguir así una combustión completa. Según se utilice aire u oxígeno puro, se obtienen dos productos distintos, en el primer caso se obtiene gasógeno o gas pobre, este gas puede utilizarse para obtener electricidad y vapor, en el segundo caso, se opera en un gasificador con oxígeno y vapor de agua y lo que se obtiene es gas de síntesis. La importancia del gas de síntesis radica en que puede ser transformado en combustible líquido.
Métodos
biológicos
Se basan en la utilización de diversos
tipos de microorganismos que degradan las moléculas a compuestos más simples de
alta densidad energéticas. Son métodos adecuados para biomasa de alto contenido
en humedad, los más conocidos son la fermentación alcohólica para producir
etanol y la digestión anaerobia, para producir metano.
La digestión anaerobia de la biomasa por
bacterias, se puede utilizar en explotaciones de ganadería intensiva, con la
instalación de digestores o fermentadores, en donde la celulosa procedente de
los excrementos animales se degrada en un gas que contiene cerca del 60% de
metano.
La transformación de la biomasa puede
dar origen a distintas energías:
Energía térmica. Agua o aire caliente, vapor. Es la aplicación más
extendida de la biomasa natural y residual. Los sistemas de combustión directa
se pueden utilizar directamente para cocinar alimentos, para calefacción o
secado. Además, es posible aprovechar el vapor que se desprende para producir
electricidad o para procesos industriales.
Energía eléctrica. Se obtiene, sobre todo, a partir de la
transformación de biomasa procedente de cultivos energéticos, de la biomasa
forestal primaria y de los residuos de las industrias. En determinados
procesos, el biogás resultante de la fermentación de la biomasa también se
puede utilizar para la producción de electricidad. La tecnología a utilizar
para conseguir energía eléctrica depende del tipo y cantidad de biomasa. Así tenemos:
Ciclo
de vapor: está basado en la combustión de biomasa,
a partir de la cual se genera vapor que es posteriormente expandido en una
turbina.
Turbina de gas: utiliza gas de síntesis procedente de la
gasificación de un recurso sólido. Si los gases de escape de la turbina se
aprovechan en un ciclo de vapor se habla de un ciclo combinado.
Motor alternativo: utiliza gas de síntesis procedente de
la gasificación de un recurso sólido o biogás procedente de una digestión
anaerobia.
Energía
mecánica. Son los
biocombustibles, pueden sustituir total o parcialmente a los combustibles
fósiles, permitiendo alimentar motores de gasolina con bioalcoholes y motores
diesel con bioaceites. En muchos países, este tipo de combustibles son ya una
realidad, por ejemplo, en Brasil ya son millones los vehículos propulsados con
alcohol casi puro obtenido de la caña de azúcar.
La forma de transformar la biomasa en
energía depende, fundamentalmente, del tipo de biomasa que se esté tratando y
del uso que se quiera dar a esta energía. Los sistemas comerciales para
utilizar biomasa residual seca se pueden clasificar en función de que estén
basados en la combustión del recurso (hay gran número de calderas para biomasa
en el mercado) o en su gasificación. Los sistemas comerciales para aprovechar
la biomasa residual húmeda están basados en la pirólisis. Para ambos tipos de
recursos, existen varias tecnologías que posibilitan la obtención de
biocarburantes.
LA
COGENERACIÓN
La cogeneración consiste en la
producción conjunta de energía térmica y eléctrica. Se basa en el
aprovechamiento de los calores residuales de los sistemas de producción de
electricidad.
Es interesante en instalaciones en donde
tanto el consumo térmico como el eléctrico es elevado.
¿CUÁNTA
ENERGÍA PROPORCIONA LA BIOMASA?
Aproximadamente:
- 1 kilogramo de biomasa proporciona 3.500 kilocalorías.
1 litro de gasolina proporciona 10.000 kilocalorías.
Es decir, se necesitan 3 kg de biomasa
para obtener la misma cantidad de energía que nos proporciona un litro de
gasolina, o lo que es lo mismo, cuando desperdiciamos 3 kg de biomasa estamos
desaprovechando el equivalente a un litro de gasolina.
UNIDADES Y EQUIVALENCIAS ENERGETICAS
DEFINICIONES DE UNIDADES
El julio (J) es la unidad del Sistema Internacional para energía y trabajo. Se define como el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton en un desplazamiento de 1 metro y toma su nombre en honor al físico James Prescott Joule
El julio también es igual a 1 vatio por segundo, por lo que eléctricamente es el trabajo realizado por una diferencia de potencial de 1 voltio y con una intensidad de 1 amperio durante un tiempo de 1 segundo.
Caloría. Una caloría es una unidad de energía del Sistema
técnico. Es la cantidad de energía necesaria para
elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 a 15,5 grados centígrados.
Kilovatio-hora. El kilovatio hora, abreviado kWh, es una unidad
de energía. Equivale a la energía desarrollada por una potencia de un kilovatio (kW) durante una hora, equivalente a 3,6 millones de julios.
Tonelada equivalente de petróleo (tep). La tonelada equivalente de petróleo es una unidad de energía. Su valor equivale a la energía que hay en una tonelada petróleo y, como puede variar según la composición de este, se ha tomado un valor
convencional de: 41.840.000.000 julios = 11.622 kWh.
Termia (th).
La termia es una unidad de energía, equivalente a 1 millón de calorías. Se usa en el suministro de gas natural para calcular las facturas. Como el gas suministrado tiene un poder calorífico algo variable, el cobro se hace sobre termias en vez de sobre m³.
British Thermal Unit (Btu). Un Btu es la cantidad de calor requerido para aumentar la temperatura de
una libra de agua por un grado Fahrenheit.
¿CÓMO
SE MIDE LA ENERGÍA DE LA BIOMASA?
Para poder evaluar la calidad energética
de las distintas fuentes de energía se establecen unas unidades basadas en el
poder calorífico de cada una de ellas. Las más utilizadas son:
kcal/kg aplicada a un combustible nos indica el número de
kilocalorías que obtendríamos en la combustión de 1 kg de ese combustible.
tec: tonelada equivalente de carbón. Representa la energía
liberada por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla).
tep: tonelada equivalente de petróleo (1 tep = 1,428 tec).
Si se trata de biomasa residual seca, las medidas
hacen referencia a su poder calorífico, pero si se trata de biomasa residual
húmeda o de biocarburantes, lo que se mide es el poder calorífico del recurso
una vez tratado.
El planteamiento de la utilización de la
biomasa como fuente de energía tiene que estar basado en la sostenibilidad, es
decir, consumir como mucho, lo que se produce. Esta idea está completamente
alejada de las formas tradicionales de utilización que aún se utilizan en buena
parte del mundo y que son responsables de graves daños medioambientales:
pérdida de biodiversidad, desertificación, degradación de las fuentes de agua,
etc.
En el aprovechamiento de la bioenergía,
es importante evitar posibles consecuencias nocivas para el medio ambiente,
como son la extracción excesiva de leña o el establecimiento de
monocultivos en gran escala.
LA
BIOMASA ANTE EL EFECTO INVERNADERO
La emisión de gases de efecto
invernadero acelera el calentamiento de la atmósfera y colabora a un cambio
climático que trascenderá muy negativamente en muchos aspectos de las
actividades humanas.
La quema de combustibles fósiles
(carbón, petróleo y gas) y la destrucción de los bosques, se han convertido en
las principales causas de la emisión a la atmósfera de dióxido de carbono
(CO2), el gas más peligroso en la generación del efecto invernadero (los
combustibles fósiles, por producirlo, y la desaparición de los bosques por no
absorber el exceso de este gas en la atmósfera).
La deforestación es una de las causas de
mayor relieve en la emisión de dióxido de carbono y metano a la atmósfera y el
problema radica en el papel esencial que desempeñan las grandes masas de
materia vegetal (junto con los océanos), al equilibrar la cantidad de CO2 en la
atmósfera haciendo de sumideros de carbono.
Las estrategias a utilizar se centran en
controlar y estabilizar las emisiones de gases de efecto invernadero
promocionando las energías renovables.
Y, es en este campo, en donde la
utilización de la bioenergía juega un doble y positivo papel. Por un lado, la
combustión de la biomasa produce la misma cantidad de CO2 que antes consumió,
dejando al sistema en equilibrio, además, se utiliza como sustitutivo de otros
combustibles que se limitan a la liberación del dióxido de carbono. Por otro
lado, una potenciación de la bionergía ayudaría a la reforestación del planeta,
aumentando así la cantidad de CO2 absorbida.
Hay estudios que apuntan que para
conseguir estabilizar las concentraciones equivalentes de CO2 en la atmósfera
en niveles que no conocemos desde los años 30 del siglo pasado, necesitaríamos
que el 40% de la energía eléctrica producida en el mundo se obtenga a partir de
la biomasa
LA
LLUVIA ÁCIDA
La biomasa tiene contenidos en azufre prácticamente nulos, generalmente inferiores
al 0,1%. Por este motivo, las emisiones de dióxido de azufre, que junto con las
de óxidos de nitrógeno son las causantes de la lluvia ácida, son mínimas en los
procesos de transformación de biomasa forestal en energía.
LOS
INCENDIOS FORESTALES
En el sur de Europa, los incendios
forestales amenazan gravemente su sostenibilidad. Durante el año 2005 sólo en
Portugal ardieron cerca de 250.000 ha y en el conjunto de los países del sur de
Europa 500.000 ha.
El progresivo abandono de las
actividades agrosilvopastorales que se ha producido en la última mitad del
siglo XX debido al éxodo rural ha provocado un incremento de la biomasa en los
ecosistemas que los hace fácilmente combustibles. Parte de esta biomasa se
puede utilizar para la generación de energía
LA
EROSIÓN Y LA DEFORESTACIÓN
El aprovechamiento de biomasa sin
explotar y el establecimiento de plantaciones y cultivos energéticos puede
paliar el problema de la desertización que se está produciendo en el sur de
Europa. En particular, los cultivos perennes, pueden ayudar a prevenir
problemas de erosión al reducir el impacto de la lluvia y el transporte de
sedimentos. Las tierras deforestadas se pueden
rehabilitar como plantaciones bioenergéticas.
PUESTOS
DE TRABAJO EN EL MEDIO RURAL
El aprovechamiento de la bioenergía
contribuye a la creación de empleo en el medio rural, beneficiando el
desarrollo económico de las zonas tradicionalmente deprimidas.
Es necesaria una mayor cantidad de
biocombustible que de combustible fósil para conseguir la misma cantidad de
energía, lo que hace necesario mayor espacio para su almacenamiento. Además,
los rendimientos de las calderas de biomasa son algo inferiores a los
rendimientos de las calderas que utilizan combustibles fósiles y sus sistemas
de alimentación y eliminación de cenizas son más complejos.
Muchos de estos problemas se están
solucionando a medida que avanzan las tecnologías.
Los países de la Unión Europea (UE) en
su conjunto, constituyen la principal potencia mundial en lo que al desarrollo
y aplicación de energías renovables se refiere.
Esto es producto de la política
energética adoptada por la UE en los últimos años, en donde se intenta
potenciar la utilización de energías renovables frente a las fuentes de energía
fósil. Aún así, la mitad de las necesidades energéticas de los países de la UE
siguen estando cubiertas por recursos importados y, dado que se consume cada
vez más energía, esta dependencia exterior no cesa de aumentar.
Cuando la UE comienza la elaboración de
una estrategia para abordar este problema, se encuentra con que hay que
afrontar otros desafíos: la lucha contra el cambio climático y la realización
de un mercado interior.
En el año 1997, la UE publica el documento
“ENERGÍA
PARA EL FUTURO: FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES”, el libro blanco en donde se intenta establecer una
estrategia y un plan de acción comunitarios, el objetivo: alcanzar el 12% de
participación de las energías renovables frente al consumo total de energía en
2010. A pesar de que se fueron registrando avances en el campo de las energías
renovables, no parecen ser suficientes. Para garantizar el éxito es necesario
que la política energética incluya un fuerte control sobre el consumo
energético.
En septiembre de 2001 se aprueba una
Directiva del Consejo y del Parlamento sobre el fomento de la producción de
electricidad a partir de las fuentes de energía renovable, cuyo objetivo es que
el porcentaje de electricidad «verde», energía eléctrica generada a partir de
fuentes renovables, en la UE pase del 14% en 1997 al 22% en 2010.
En esta Directiva se indica que los
Estados de la UE deben adoptar y publicar, cada cinco años, un informe que
establezca, para los 10 años siguientes, los objetivos de consumo futuro de
electricidad (FER), así como las medidas a tomar para alcanzarlos.
La Comisión Europea propone que los
países miembros utilicen una serie de medidas de apoyo para fomentar el consumo
de bioelectricidad, estas medidas pueden consistir en ayudas fiscales,
financieras, certificados verdes, etc.
Los sistemas de apoyo adoptados por los
países de la UE se pueden dividir en dos grandes grupos:
Sistemas de tarifas o primas mínimas, en donde los proveedores de
electricidad renovable venden toda su producción a un precio fijado en su
totalidad o en parte.
Sistemas de cuotas y certificados verdes, en donde se obliga a que un
determinado porcentaje del suministro eléctrico o producción de electricidad provenga
de energía renovable. Los proveedores o sujetos ligados a esta cuota, deberán
demostrar que la están cumpliendo mediante la entrega de certificados verdes.
La mayor parte de los países de la Unión
utilizan sistemas de tarifas o primas mínimas como sistema principal de apoyo e
incluyen otros sistemas como pueden ser ayudas a la inversión, créditos
fiscales o subastas.
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