Ingenieria Bioquimica Y Biotecnologia.docx

Los microorganismos se han identificado y explotado durante más de un siglo. Los babilonios y sumerios utilizan levaduras para preparar el alcohol. Hay una gran historia más allá de los procesos de fermentación que explica las aplicaciones de procesos microbianos que dieron lugar a la producción de alimentos y bebidas. En la mitad del siglo 19, Louis Pasteur entendio el papel de los microorganismos en los alimentos fermentados, vinos, alcoholes, bebidas, queso, leche, yogurt y otros productos lácteos e industrias quimicas finas. Se identificó muchos procesos microbianos y descubrió el primer papel principal de la fermentación, que era que los microbios requieren sustrato para producir metabolitos primarios y secundarios y productos finales. En el nuevo milenio, una amplia aplicación de bioprocesos ha creado un entorno para muchos ingenieros para ampliar el campo de la biotecnología. Una de las aplicaciones útiles de la biotecnología es la utilización de microorganismos para producir alcoholes y acetona, que se utilizan en los procesos industriales. Los conocimientos relacionados con la microbiología industrial se ha visto revolucionado por la capacidad de las células modificadas genéticamente para hacer muchos nuevos productos. La ingeniería genética y el montaje de genes se han desarrollado en la mejora de la fermentación industrial. En consecuencia, la biotecnología es un nuevo enfoque para la fabricación de productos comerciales que utilizan organismos vivos. Por otra parte, el conocimiento de bioprocesos se ha desarrollado para ofrecer productos de alta calidad. La aplicación de las ciencias biológicas en los procesos industriales se conoce como proceso biotecnológico. Hoy en día, la mayoría de los productos biológicos y farmacéuticos se producen en bioprocesos industriales bien definidos. Por ejemplo, las bacterias son capaces de producir la mayoría de los aminoácidos que se pueden usar en alimentos y medicamentos. Hay cientos de productos microbianos y fúngicos puramente disponibles en el mercado de la biotecnología. La producción microbiana de aminoácidos se puede utilizar para producir L-isómeros; los resultados de producción química en tanto D- y L-isómeros. La lisina y ácido glutámico son producidas por Corynebacterium glutamicum. Otro aditivo de alimentos es el ácido cítrico, que es producida por Aspergillus niger. Tabla 1.1 resume varias aplicaciones generalizadas de microbiología industrial para ofrecer una variedad de productos en las industrias aplicadas. El crecimiento de células a gran escala se llama fermentación industrial. La fermentación industrial se lleva a cabo normalmente en un biorreactor, que controla la aireación, pH, y temperatura. Los microorganismos utilizan una fuente orgánica y producen metabolitos primarios, tales como etanol, que se forman durante la fase de crecimiento exponencial de las células. En algunos bioprocesos, de levadura o de hongos se utilizan para producir productos valiosos avanzados. Esos productos se consideran como metabolitos secundarios, tales como la penicilina, que se produce durante la fase estacionaria. Las levaduras se cultivan para de vino y la panificación. Hay otros microbios tales como Rhizobium, Bradyrhizobium, y Bacillus thuringiensis

que son capaces de crecer y utilizar los hidratos de carbono y fuentes orgánicas procedentes de residuos agrícolas. Las vacunas, antibióticos y esteroides son también productos de crecimiento microbiano.

1.2 El PAPEL DE LA BIOTECNOLOGÍA La biotecnología es un área interdisciplinaria que regula la aplicación de la biología y la química en las ciencias de ingeniería. De hecho, es el conocimiento de la explotación de los microorganismos vivos y sus subproductos, tales como enzimas, metabólitos secundarios, y cualquier producto de la vía de los organismos vivos. Estos productos de base biológica se están expandiendo como aditivos seguros para alimentos, medicamentos y cosméticos. En las últimas décadas, la aplicación de la biotecnología se centró sólo en la biotecnología animal o la tecnología de célula vegetal y horticultura. Pero hoy en día, el desarrollo de la biotecnología ha mejorado y se trasladó más allá de las fronteras. El conocimiento se ha expandido en muchos campos de la ingeniería, así como en biomateriales avanzados y productos nano-biotecnologicos. Productos de fermentación

microorganismo

Etanol ácido cetoglucónico

Saccharomyces cerevisiae Pseudomonas sp.

Pectinasa, proteasa

Aspergillus niger, A. aureus

Aplicaciones

Un intermediario para la producción de acido ascórbico (vitamina C); un precursor para la síntesis de acido isoascorbico. Agentes clarificantes en jugos de frutas

Amilasa bacteriana

A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur entendió bien la aplicación industrial de microorganismos para entregar productos útiles mientras implementaba varios bioprocesos. Las materias primas se usaron como sustratos y nutrientes para que los microorganismos crearan productos adecuados. Los productos fueron utilizados por humanos, y la velocidad de producción fue a escala comercial. Los microorganismos en

condiciones normales producen una gran cantidad de sustancias químicas, productos farmacéuticos y productos alimenticios. Otras aplicaciones de microorganismos están claramente establecidas en la minería y la biolixiviación. Los metales se lixivian de minerales de bajo grado. En la eliminación de contaminantes orgánicos, los microorganismos se usan de forma segura para muchos procesos de tratamiento y biorremediación. Son capaces de eliminar los contaminantes desagradables de una fase acuosa. En los biofiltros, los contaminantes se eliminan de los vapores de aire a través de los medios filtrantes. La biodegradación de compuestos orgánicos volátiles en un biofiltro se lleva a cabo fácilmente por los consorcios de microorganismos vivos en el lecho filtrante. Las aplicaciones de microorganismos se gastan en muchos procesos biológicos por razones económicas y ambientales. En general, la aplicación industrial de microorganismos se puede resumir en una simple reacción: Materia prima; Contaminantes orgánicos como sustratos + Microorganismos = Productos finos biodegradables y subproductos En la mayoría de los casos, los microorganismos se usan para convertir material orgánico residual en productos útiles y estables. Los organismos utilizados en los procesos de tratamiento no son patógenos y no tienen efectos secundarios en la salud humana. Por ejemplo, los desechos de productos lácteos (suero de leche), pulpa y papel a menudo se utilizan para la propagación de microorganismos. Las fermentaciones industriales se utilizan en tanques a gran escala, a menudo con una capacidad de 15 a 50 m3. A partir del metabolismo de los microorganismos en los medios de crecimiento, la fase heterogénea de la masa celular existe en un caldo de cultivo, mientras que los productos específicos se liberan. Los productos celulares deseados deben recuperarse en los procesos downstream mediante la separación y purificación de productos en fases acuosas o sólidas para la recuperación del producto en materia cristalizada o precipitada, ya que los productos sólidos son fácilmente recuperados y removidos en los procesos downstream. Los productos comerciales son masas de celulas con productos intercelulares. Las enzimas se clasifican como productos intracelulares y extracelulares. Los productos celulares y los metabolitos secundarios se pueden usar como compuestos esenciales para el crecimiento celular. Los metabolitos intermedios pueden no ser esenciales como nutrientes para el crecimiento celular. Los productos de origen biológico originados a partir de microorganismos se usan como compuestos químicos y farmacéuticos, como antibióticos, interferones, hormonas, insulina y esteroides. Las bacterias modificadas genéticamente o las células montadas en genes pueden producir estrictamente el producto objetivo para el tratamiento y los fines del fármaco. La producción masiva de suplementos alimenticios se realiza a través de bacterias, levaduras, hongos y algas. Las materias primas baratas se utilizan para la producción de suplementos alimenticios que son comercialmente viables en la producción a gran escala. La producción de aminoácidos es un ejemplo práctico; entre los aminoácidos, los ácidos glutámico y

fólico se fermentan a partir de los desechos lácteos. Las industrias de bebidas son las más antiguas plantas de producción a gran escala que producen bebidas alcohólicas y no alcohólicas. Además, las bacterias se usan para la producción de vacunas y antígenos. Los cuerpos celulares anotados se usan como un antígeno para la generación del anticuerpo para la inmunización de pacientes y para protegerlos de enfermedades. Una de las aplicaciones comerciales de los microorganismos industriales es la limpieza de derrames de petróleo y la eliminación de contaminantes costeros. Los organismos que tienen una alta tolerancia a los hidrocarburos y aromáticos pueden degradar y utilizar fuentes de hidrocarburos, mientras que las fuentes de nitrógeno inorgánico se equilibran para un crecimiento celular máximo. Las aplicaciones industriales de microorganismos con el producto designado se resumen en la Tabla 1.1. Los productos más biobasados son el ácido láctico y aminoácidos como la lisina y los ácidos glutámicos. Las descripciones detalladas de cada producto se discuten en diferentes capítulos y en bioprocesos relacionados. Varios tipos de fuentes de carbono, como el jarabe de maíz, el almidón de patata, la melaza y el suero de leche, se utilizan a menudo para la producción de ácido láctico. Si se usa almidón, entonces el polímero natural se debe hidrolizar a azúcar monomérico mediante hidrólisis enzimática. Los monosacáridos liberados de la hidrólisis se usan para el proceso de fermentación.

1.3 EL PAPEL DE LAS CIENCIAS BIOLOGICAS En siglos pasados, se expandió el límite del conocimiento de las ciencias aplicadas, lo que resultó en una evolución de áreas interdisciplinarias como las carreras de ciencias biológicas que han ayudado a las ciencias de la ingeniería a desarrollar el campo más extendido de las ciencias aplicadas. En la década de 1960, los ingenieros nunca pensaron en involucrar microorganismos en los procesos de producción. La expansión del proceso se ocupa del conocimiento biológico y las ciencias biológicas fundamentales; en la mayoría de los procesos de tratamiento, los microbios y las bacterias están involucradas. El uso de enzimas en las refinerías de base biológica para la producción de biocombustibles y productos farmacéuticos creó una tecnología avanzada para mejorar la vida. La idea del reemplazo de combustibles fósiles por combustibles limpios como el biohidrógeno se ha discutido en artículos recientemente publicados. La combustión del hidrógeno nunca genera contaminación del aire. Incluso para la desulfuración de gas natural, el proceso no requiere disolventes químicos para los procesos de sorción porque los gases de azufre son utilizados por los microbios y el azufre se elimina de la corriente de gas natural. En la ingeniería química tradicional, incluso el funcionamiento simple de la unidad y la transferencia de masa fueron suficientes para derivar los procesos, mientras que los ingenieros de procesos modernos no pueden vivir sin el conocimiento biológico y la aplicación de microorganismos en su vida rutinaria diaria. Por lo tanto, la identificación, el aislamiento, la propagación y el cultivo en masa de organismos potentes son necesarios para muchos procesos. Los

organismos vivos con mayor frecuencia actúan como biocatalizadores en muchos procesos bioquímicos y biológicos. De hecho, los microorganismos juegan un papel importante. Hoy, la expansión de la investigación biológica desarrolló la biología molecular. En este campo, la ingeniería metabólica y la ingeniería genética sirven para ampliar el conocimiento de los ingenieros sobre un avance en el nivel de producción y la mejora del rendimiento del proceso. Por ejemplo, las aplicaciones de organismos recombinantes en los campos de la medicina y las ciencias farmacéuticas son casos exitosos de biociencias. Además, el conocimiento de la microbiología para la degradación de compuestos orgánicos tóxicos y pesticidas por cepas microbianas en un proceso anaeróbico ha creado un entorno para la bioconversión de sustancias químicas orgánicas a metano y dióxido de carbono para ser utilizado como fuente de energía. Si la microbiología se dividio dentro de las ciencias básicas y de aplicadas, entonces uno puede usar directamente la microbiología aplicada en el campo de los bioprocesos. Por otro lado, las enzimas y las hormonas o los 5etabólitos celulares intermedios como productos de organismos vivos se utilizan en muchos bioprocesos.

1.4 FUNCIONES DE LOS MICROORGANISMOS Los microbios se definen como criaturas que no se pueden observar a simple vista. Su morfología se ve fácilmente bajo los microscopios. Los microorganismos se clasifican como bacterias, hongos, algas y protozoos. Además, un virus se identifica como un organismo vivo que puede causar infección. Los microorganismos se clasifican en función de su morfología, fisiología, estructura de la pared celular, divisiones celulares y propagación de las células. El impacto de los microorganismos en la vida humana se puede categorizar como útiles, no patógenos y patógenos. La clase de organismos no patógenos puede vivir en un ambiente amigable sin causar ninguna enfermedad, mientras que los patógenos causan infección. La clase de organismos no patógenos se usa en alimentos y bebidas para humanos. Esta clase de organismos se usa para la producción de hormonas, interferones, enzimas y muchos productos farmacéuticos. Estos organismos se utilizan a menudo en muchos procesos industriales para la producción de alimentos, combustibles y productos químicos finos. Un solo organismo puede vivir de forma independiente y funcionar en una red; los organismos pueden actuar en un órgano para una función específica. La manifestación de la vida puede venir a través de la evolución, ya que cada órgano lleva a cabo tareas específicas para funcionar y operar en un sistema vivo. Los microorganismos basados en la morfología y la estructura de los principiantes son bastante similares, todos tienen paredes celulares para proteger los materiales celulares. El citoplasma de una célula está encerrado por la pared celular; incluso los componentes celulares dentro de la célula pueden ser identificados o no identificados. Todas las células pueden funcionar perfectamente a medida que se espera la vida de un organismo vivo.

El término celda fue introducido en siglos pasados. Las células están rodeadas por límites que se conocen como la pared celular. La pared protege el contenido celular, también conocido como citoplasma, y los órganos celulares dentro de la célula. El órgano puede estar formado por la unificación del número de células; la mayoría de las veces esto se parece a la estructura celular de las abejas melíferas con paredes celulares definidas, ya que una masa de células se reúne de forma unánime para actuar para funciones específicas. Las células son organismos vivos; son únicos y se identifican todos sus componentes celulares. El material coloidal dentro de la célula se conoce como citoplasma encapsulado por la pared celular. Los componentes celulares dentro de la célula se pueden observar claramente por microscopio electrónico. Las células se replican en un entorno adecuado y los nutrientes son esenciales para el crecimiento celular. La pared celular es permeable a los nutrientes dentro de los medios; la célula se duplica en un tiempo definido, que es un indicador de crecimiento conocido como tiempo de duplicación. Los microorganismos que tienen actividades biológicas requieren fuentes de nutrientes tales como carbono, nitrógeno y fosfato. La mayoría de los organismos deben obtener energía de fuentes de carbono. Algunos de los organismos pueden usar nitrógeno del aire y fijar nitrógeno como nitrato o generar aminoácidos para la síntesis de proteínas. Ellos son capaces de producir compuestos nitrogenados complejos. Algunos otros organismos usan nitrógeno inorgánico y orgánico para la síntesis de proteínas. Los microorganismos pueden usar varias fuentes de carbono con una amplia reacción metabólica. Se adaptan a muchas fuentes de nutrientes. El uso de nutrientes de bajo costo puede crear una oportunidad para que los microbios conviertan los desechos en productos útiles. Especialmente los residuos industriales, que existen en ellos fuentes orgánicas que pueden convertirse fácilmente en productos deseados en presencia o ausencia de oxígeno mediante el proceso de fermentación. Un organismo puede tener productos comerciales enumerados en cuatro categorías: 1. Células individuales 2. Moléculas grandes, como las enzimas 3. Metabólitos primarios 4. Metabólitos secundarios. Los metabólitos primarios y secundarios en un bioproceso se pueden estimar basándose en las vías proyectadas para la producción de subproductos intracelulares y extracelulares.

Hay cuatro clases de organismos que se usan en procesos industriales. Son levaduras, mohos, bacterias únicas y actinomicetos (hongos). Las levaduras y los mohos están bien desarrollados en procesos industriales. El moho y los actinomicetos tienen una forma filamentosa que crece en un sistema ramificado. No son como células individuales. Las levaduras en comparación con las células individuales son mucho más grandes, mientras que se consideran como células únicas individuales. Los hongos presentan una estructura filamentosa conocida como hifa. Por ejemplo, Candida utilis es un tipo de hongo que se caracteriza porque tiene aplicaciones industriales, como la producción de proteína unicelular. Los mohos son ciertamente conocidos por sus actividades antibacterianas. Este grupo, incluyendo Aspergillus oryzae y A. niger y géneros de Penicillum, son bien conocidos. Los anaerobios estrictos y células procariotas como Streptomycetes, son hongos filamentosos que producen antibióticos. Los organismos son eucariotas como hongos y células vegetales. El punto distintivo de las células eucariotas es el núcleo, la célula rodeada por la membrana. Todos los órganos en la célula se identifican bajo microscopio electrónico. Tienen más de un cromosoma con mitocondrias definidas. Las mitocondrias de la célula son responsables de la energía celular, y todas las reacciones químicas se llevan a cabo en este centro. Por el contrario, los organismos sin un núcleo definido se conocen como células procariotas. Las bacterias y los microbios son procariotas; sus células son unidades únicas y aisladas, mucho más pequeñas que una célula eucariota. Los tamaños de las células eucariotas son, con toda probabilidad, 10 veces más grandes que los procariotas. En una célula procariota, los materiales del núcleo se extienden dentro de la célula y los órganos celulares no se identifican. Entre las células procariotas anaeróbicas, las especies de Clostridium pueden producir toxinas como el botulismo sintetizado por C. botulinum y C. butericum; son organismos vivientes notorios que causan serios problemas de salud para los seres humanos. En la fermentación de un sustrato orgánico, las vías de los organismos son siempre cuestionables. Los organismos en términos de entrega de productos se conocen como homofermentativos y heterofermentativos. El organismo homofermentativo libera un producto principal o significativo, mientras que los organismos heterofermentativos pueden generar dos o más productos a través de diferentes rutas metabolicas. Por ejemplo, las levaduras pueden fermentar 6 carbonos de azúcar, ya sea glucosa o fructosa, a 2 mol de etanol y 2 mol de dióxido de carbono. Las rutas o vías metabólicas pueden verse influenciadas por la composición de los medios. Si la levadura se negó a producir alcohol debido al pH ácido del medio, entonces la vía metabólica microbiana cambiará a producción de ácido láctico. Si el medio de fermentación está contaminado con cualquier especie de Lactobacillus, la glucosa se convierte en ácido láctico. De hecho, el cultivo heterofermentativo puede convertir glucosa en varios productos, como ácido láctico, etanol y dióxido de carbono, a través de una ruta metabólica microbiana alternativa. Clostridium acetobutylicum es un heterofermentativo que puede producir dos productos principales. Este organismo puede usar glucosa y producir una mezcla de acetona, etanol, isopropanol y butanol. La cultivo es aeróbico; se usa una cierta fracción de sustrato y se convierte en un metabolito, luego la fracción restante se convierte en una biomasa o proteína beneficiosa para la célula. Sin embargo, en la oxidación completa con una cantidad excesiva de oxígeno, todos los

sustratos se oxidan en dióxido de carbono y agua a través de una ruta conocida como glucólisis. El hecho es que el proceso aeróbico no solo termina en dióxido de carbono y agua, sino que también libera moléculas importantes como un portador de energía que se utilizan para la síntesis de biomoléculas.

1.5 LOS PROCESOS DE FERMENTACION El término "fermentación" se obtuvo del verbo latino fervere, que describe la acción de la levadura o la malta sobre el azúcar o extractos de frutas y granos. La "ebullición" observada durante la fermentación se debe a la producción de burbujas de dióxido de carbono de la fase acuosa del catabolismo anaeróbico de los hidratos de carbono en el medio de fermentación. El arte de la fermentación es definido como la transformación de los compuestos orgánicos mediante la acción de las enzimas. Los babilonios y sumerios conocieron la capacidad de la levadura para producir alcohol antes del 6000 a.c. Los egipcios descubrieron la generación de dióxido de carbono por la levadura de cerveza en la preparación del pan. La degradación de los carbohidratos por los microorganismos es seguida por las vía glucolíticas o vías Embden-Meyerhofe-Parnas. Por lo tanto, los mecanismos de reacción bioquímica general para extraer energía y formar productos en condiciones anaeróbicas se denominan procesos de fermentación. En el proceso de producción de etanol, los carbohidratos se reducen a piruvato con la ayuda de dinucleótido de nicotinamida y adenina; el etanol es el producto final. Otros procesos de fermentación que incluyen cultivos de bacterias como la del ácido acético para la producción de vinagre. Las bacterias del ácido láctico conservan la leche y sus productos como el yogurt y el queso Diversas bacterias y mohos están involucrados en la producción de queso. Louis Pasteur, quien es conocido como el padre del proceso de fermentación, a principios del siglo XIX definió la fermentación como la vida sin aire. El Probo que la vida microbiana existente provenía de una vida preexistente. Había una fuerte creencia de que la fermentación era estrictamente una reacción bioquímica. Pasteur refutó la hipótesis química. En 1876, los destiladores de Lille en Gran Bretaña me pidieron que investigara por qué el contenido de su producto de fermentación se agria. Pasteur encontró la contaminación microbiana del caldo de levadura bajo su microscopio. Descubrió la formación de ácidos orgánicos, como el ácido láctico antes de la fermentación del etanol. Su mayor contribución fue establecer diferentes tipos de fermentación por microorganismos específicos, lo que permitió trabajar en cultivos puros para obtener productos puros. En otras palabras, la fermentación se conoce como un proceso con la existencia de una vida estrictamente anaeróbica; es decir, vida en ausencia de oxígeno. El proceso esta resumido en los siguientes pasos: 

La acción de la levadura sobre extractos de zumo de frutas o granos malteados: las reacciones bioquímicas están relacionadas con la generación de energía por catabolismo de compuestos orgánicos.



La biomasa o la masa de materia viva (células vivas) en una solución líquida con nutrientes esenciales a temperatura y pH adecuados crece: Como resultado, el contenido de biomasa aumenta con el tiempo.

En la Primera Guerra Mundial, Alemania estaba desesperada por fabricar explosivos y necesitaba glicerol para esto. Habían identificado el glicerol en la fermentación alcohólica. Carl Neuberg descubrió que la adición de bisulfato de sodio al caldo de fermentación favorecía la producción de glicerol a expensas del etanol. Alemania desarrolló rápidamente una fermentación a escala industrial, con una capacidad de producción de aproximadamente 35 toneladas por día. En Gran Bretaña, la acetona tenía una gran demanda; se obtuvo por fermentación anaeróbica de acetonaebutanol-etanol utilizando C. acetobutylicum. En la producción de fermentación a gran escala, la contaminación de cultivos puros con otros organismos y bacteriófagos o virus es el problema principal. Los microorganismos son capaces de realizar una amplia gama de reacciones metabólicas utilizando diversas fuentes de nutrientes. Eso hace que los procesos de fermentación sean adecuados para aplicaciones industriales con nutrientes económicos. La melaza, el jarabe de maíz, los productos de desecho de la cristalización de las industrias azucareras y la molienda húmeda de maíz son sustratos valiosos para la producción de antibióticos y productos químicos finos. Discutiremos muchos procesos de fermentación industrial en el próximo Capítulo. En primer lugar, nos centraremos en los conceptos fundamentales de la ingeniería bioquímica en lugar de las aplicaciones. Hay varias industrias que usan procesos biológicos para producir nuevos productos, como antibióticos, productos químicos, alcoholes, lípidos, ácidos grasos y proteínas. La comprensión profunda del bioproceso puede requerir conocimientos reales de biología y microbiología en las aplicaciones de los procesos anteriores. Es muy interesante demostrar experimentos a escala de laboratorio y hacer uso de la tecnología avanzada a gran escala. Sin embargo, la aplicación del bioproceso a gran escala y el control de los microorganismos en 100.000 l de medio puede no ser tan simple de manejar. Por lo tanto, los ingenieros capacitados son esenciales y de gran demanda; esto se puede lograr mejorando el conocimiento en los bioprocesos forrados. Para lograr tales objetivos, es posible que tengamos que explicar todo el proceso a la mano de obra calificada y al personal capacitado para implementar el conocimiento sobre bioprocesos en biotecnología.

1.6 APLICACIONES DE LOS PROCESOS DE FERMENTACION El hombre ha estado utilizando las capacidades fermentativas de los microorganismos en diversas formas durante muchos siglos. Las levaduras se usaron por primera vez para hacer pan; más tarde, su uso se expandió a la fermentación de productos lácteos para hacer queso y yogur. Hoy en día, hay más de 200 tipos de productos alimenticios fermentados disponibles en el mercado. Existen varios procesos

biológicos activos en la industria que producen productos de alta calidad, como varios antibióticos, ácido glutámico, ácido cítrico, ácido acético y ácidos butírico y propiónico. La síntesis de proteínas y aminoácidos, lípidos y ácidos grasos, azúcar simple y polisacáridos como goma de xantano y glicerol, y muchos más productos químicos y alcoholes finos se lleva a cabo a través de bioprocesos con aplicaciones industriales adecuadas. El conocimiento del bioproceso es una integración de la bioquímica, la microbiología y la ciencia de la ingeniería aplicada en la tecnología industrial. La aplicación de microorganismos viables y células de tejidos cultivados en un proceso industrial para producir productos específicos se conoce como bioproceso. Por lo tanto, los productos de fermentación y la capacidad de cultivar grandes cantidades de organismos son el foco del bioproceso, y tales logros se pueden obtener utilizando recipientes conocidos como fermentadores o biorreactores. El cultivo de grandes cantidades de organismos en fermentadores y biorreactores con productos de fermentación relacionados es el principal enfoque del bioproceso. Un biorreactor es un recipiente en el cual un organismo se cultiva y crece de manera controlada para formar el subproducto. En algunos casos, se cultivan organismos especiales para producir productos muy específicos, como antibióticos. La escala de laboratorio de un biorreactor está en el rango de 2 a 100 l, pero en procesos comerciales o en una operación a gran escala, esto podría ser de hasta 100 m3. Inicialmente, el término "fermentador" se utilizó para describir estos recipientes, pero en términos estrictos, la fermentación es un proceso anaeróbico, mientras que la mayor parte de los fermentadores utilizan condiciones aeróbicas. El término "biorreactor" se ha introducido para describir un recipiente de fermentación para hacer crecer los microorganismos en condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Las plantas de bioprocesos son una parte esencial de las industrias de alimentos, química fina y farmacéutica. El uso de microorganismos para transformar materiales biológicos en alimentos fermentados, queso y productos químicos tiene su antigüedad. Los bioprocesos se han desarrollado para una amplia gama de productos comerciales, como se enumera en la Tabla 1.1. La mayoría de los productos provienen de materias primas relativamente baratas. La producción de alcoholes industriales y disolventes orgánicos se origina principalmente en existencias de alimentos baratos. Los bioprocesos más costosos y especiales están en la producción de antibióticos, anticuerpos monoclonales y vacunas. Las enzimas industriales y las células vivas tales como la levadura de panadería y la levadura de cerveza también son productos comerciales obtenidos de plantas de bioprocesamiento.

1.7 PRODUCTOS DE BIOPROCESOS Los principales productos de bioprocesos se encuentran en el área de productos químicos, productos farmacéuticos, energía, alimentos y agricultura, como se muestra en la Tabla 1.2. La tabla muestra los aspectos generales, los beneficios y las

aplicaciones de los procesos biológicos en estos campos. La mayoría de los productos fermentados se forman en tres tipos. Las principales categorías ahora se discuten.

1.7.1 Biomasa. En dichos bioprocesos, el objetivo es producir una biomasa o masa de células tales como microbios, levaduras y hongos. La producción comercial de biomasa se ha visto en la producción de levadura de panadería, que se utiliza en la industria de la panificación. Tabla 1.2 Productos y servicios provenientes de los procesos biológicos

Sector Químicos

Productos y servicios Etanol, acetona, butanol Ácidos orgánicos (acético, butírico, propionico y cítrico)

Farmacéuticos

Antibióticos Enzimas Inhibidores de enzimas Antibióticos monoclonales Esteroides Vacunas Bioalcohol (gasohol) Metano (Biogas) Productos lacteos (queso, yogurt, etc) Levadura de panadería Bebidas alcoholicas (cerveza, vinos) Aditivos Aminoácidos Vitamina B Proteínas (SCP)* Piensos para animales (SPC)* Tratamiento de desechos agrícolas Vacunas Biopesticidas Biofertilizantes e inoculantes microbianos

Energía Alimentación

Agricultura

La proteína de unicelular (SCP) se produce como una biomasa enriquecida en proteína. En algunos países se ha utilizado una alga llamada Spirulina como alimento para animales. SCP se usa como fuente de alimentos producidos a partir de recursos

renovables como suero de leche, celulosa, almidón, melaza y una amplia gama de desechos de plantas.

1.7.2 productos celulares Los productos son producidos por células con la ayuda de enzimas y metabolitos conocidos como productos celulares. Estos productos se clasifican como extracelulares o intracelulares. Las enzimas son uno de los principales productos celulares utilizados en la industria. Las enzimas se extraen de plantas y animales. Las enzimas microbianas también pueden producirse en grandes cantidades mediante técnicas convencionales. La productividad de la enzima puede mejorarse mediante la mutación, la selección y tal vez la manipulación genética. El uso de enzimas en la industria es muy extenso, especialmente en panadería, fabricación de cereales, café, dulces, chocolate, jarabe de maíz y productos lácteos, así como en la industria de zumos y bebidas de frutas. Las enzimas más comunes utilizadas en las industrias alimentarias son la amilasa en la cocción; proteasa y amilasa en productos de carne de res; pectinasa y hemicelulasa en la industria del café; catalasa, lactasa y proteasa en productos lácteos; y glucosa oxidasa en la industria del jugo de fruta.

1.7.3 Compuestos modificados Casi todos los tipos de células se pueden usar para convertir un compuesto agregado en otro compuesto, que involucra muchas formas de reacción enzimática incluyendo deshidratación, oxidación, hidroxilación, aminación, isomerización, etc. Estos tipos de conversión tienen ventajas sobre los procesos químicos porque la reacción puede ser muy específica y realizar a temperaturas moderadas. Los ejemplos de transformaciones que usan enzimas incluyen la producción de esteroides, la conversión de antibióticos y prostaglandinas. La transformación industrial requiere la producción de grandes cantidades de una enzima; la semivida de las enzimas puede mejorarse mediante la inmovilización, y la extracción puede simplificarse mediante el uso de células completas. En cualquier bioproceso, el biorreactor no es una unidad aislada, sino que es parte de un proceso integrado con componentes ascendentes (procesos upstream) y descendentes (procesos downstream). Los procesos upstream consisten en tanques de almacenamiento, crecimiento y preparación de medios seguidos de esterilización. Además, el cultivo de siembra para inoculación requiere de los procesos upstream, con materia prima esterilizada, principalmente azúcar y nutrientes, requerida para el funcionamiento del biorreactor. La esterilización del biorreactor puede realizarse con vapor de 15 libras por pulgada cuadrada a 121 ºC o utilizando cualquier reactivo químico desinfectante como el óxido de etileno. Los procesos downstream implica la extracción del producto y la purificación como unidades químicas normales de operación. Los sólidos se separan del líquido, y la solución y el sobrenadante de la

unidad de separación pueden purificarse después de que el producto se haya concentrado.

1.8 PRODUCCION DE ACIDO LACTICO El ácido láctico se produjo a partir de la leche agria. Se cree que Louis Pasteur fue el primer científico que identificó la fermentación de la leche agria como ácido láctico. La bioconversión se encontró a través de la fermentación homoláctica; como resultado, la maltosa se convierte en lactato. El ácido láctico (lactato) se conoce como un acidulante, un agente aromatizante para la conservación de alimentos, y en la industria láctea se utiliza como materia prima para la producción de ácido polilactatico, que se conoce como polímero biodegradable. El ácido láctico también se usa para la conservación de verduras como zanahorias y rábanos. La demanda mundial anual de ácido láctico se aproxima a 150,000 toneladas (métricas). La producción de ácido láctico a través de la fermentación se lleva a cabo principalmente por la especie Lactobacillus, que es un estereoisómero de L (+) y D (-), o una mezcla de ácido láctico DL racémico. El proceso de separación para un isómero específico es costoso y tedioso. Se identifican más de 100 especies de Lactobacillus como organismos potenciales para la producción de ácido láctico. Las especies más populares de productores de ácido láctico son Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus brevis, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus casei, Lactobacillus paracasei y Lactobacillus manihotivorans. En general, los Lactobacillus son homofermentativos y pueden producir una alta concentración de ácido láctico, mientras que los heterofermentativos pueden convertir el 50% del sustrato en ácido láctico. Varios hidratos de carbono, como el almidón de maíz y la papa, la melaza y el suero, se pueden usar para producir ácido láctico. El almidón primero debe ser hidrolizado a glucosa por hidrólisis enzimática; luego la fermentación se realiza en la segunda etapa. La elección del material de hidratos de carbono depende de su disponibilidad, y se requiere un pretratamiento antes de la fermentación. Describiremos el bioproceso para la producción de ácido láctico a partir del suero. Se recomienda una materia prima barata para la producción de ácido láctico. Es costumbre convertir una proporción significativa de suero de queso en ácido láctico. La fermentación del ácido láctico en crecimiento suspendido es más favorable que la fermentación en estado sólido (SSF). Se cree que los hongos son más adecuados para SSF, mientras que el uso de especies de Lactobacillus en crecimiento suspendido y cultivo sumergido es más favorable para el proceso de fermentación. Grandes cantidades de suero de leche constituyen un producto de desecho en el proceso de fabricación de productos lácteos como el queso. Desde el punto de vista de la contaminación ambiental, se considera un problema importante, y la eliminación de los desechos no tratados puede crear desastres ambientales. Es deseable usar suero de leche para hacer algún producto útil. El suero se puede convertir de un producto de desecho a algo más deseable que puede usarse para el crecimiento de ciertas bacterias

porque contiene lactosa, sustancias nitrogenadas, vitaminas y sales. Los organismos pueden usar lactosa y crecer en desechos de queso; los más adecuados son las especies de Lactobacillus como L. bulgaricus, que es la especie más adecuada para el suero. Este organismo crece rápidamente, es homofermentativo y, por lo tanto, es capaz de convertir la lactosa en el único producto final del ácido láctico. Los cultivos madre (cultivo stock) del organismo se mantienen en un medio de leche desnatada. Se prepara un tres a cinco% en volumen de inóculo y se transfiere al biorreactor principal, y el cultivo se almacena en leche descremada pasteurizada a una temperatura de incubación de 43 ºC. Durante la fermentación, el pH se controla mediante la adición de una suspensión de cal para neutralizar el producto y evitar la inhibición de este. La acumulación de ácido láctico retrasaría el proceso de fermentación debido a la formación de lactato de calcio. Después de dos días de incubación completa, el material se hierve para coagular la proteína y luego se filtra. La torta solida y filtrada obtenida es un producto de proteína enriquecido y útil que se puede usar como un suplemento de alimento para animales. El filtrado que contiene lactato cálcico se concentra después eliminando el agua al vacío, seguido de la purificación del producto final. El diagrama en flujo de este proceso puede apreciarse en la Figura 1.1.

Figura 1.1. Producción de acido láctico mediante suero de leche.

1.9 PRODUCCION DE VINAGRE Los azúcares en las frutas, como las uvas, son fermentados por levaduras para producir vinos. En la vinificación, las bacterias del ácido láctico convierten el ácido málico en ácido láctico en la fermentación maloláctica en frutas con alta acidez. Acetobacter y Gluconobacter oxidan el etanol en el vino al ácido acético (vinagre). La palabra “vino” es originaria de francia, el termino vinagre significa “vino agrio”. Este es preparado por el vino agriado bajo condiciones controladas. La producción de vinagre involucra pasos de cambios bioquímicos: 1. Fermentación alcoholica en fermentación de un hidrato de carbón 2. Oxidación del alcohol a acido acético

Hay varios tipos de vinagres. La diferencia entre ellos esta primeramente asociada con el tipo de material usado en la fermentación alcohólica, por ejemplo, jugos de frutas, azúcar, y materiales de fécula hidrolizados. Según las definiciones basadas por el departamento de agricultura de los estados unidos, hay unos pocos tipos de vinagres, entre esos esta el vinagre de cidra y el vinagre de manzana. Los productos son elaborados por el alcohol y las subsecuentes fermentaciones acetosas de los jugos de manzana. El acido acético contenido en el producto es aproximadamente del 5 %. La fermentación por levaduras es usada para elaboración de alcohol. El alcohol es ajustado del 10 al 13%, luego este es expuesto a bacterias acido acéticas (como las especies de Acetobacter) por medio de cuanto oxigeno es requerido para la oxidación de alcohol a acido acético. La temperatura adecuada para Acetobacter es de 15 a 13 ºC. la reacción para este proceso es:

La oxidación de etanol a acido acético para la producción de vinagre no es un proceso completamente oxidativo, ya que existen organismos aeróbicos que son capaces de convertir la glucosa a acido gluconico siendo una vía de oxidación incompleta. Los derivados del trifosfato de adenosina (ATP) de oxidación limitada están asociados al crecimiento; finalmente, con la ayuda de nutrientes suplementarios en el medio, los organismos son capaces de completar las reacciones bioquímicas para la producción de acido acético.

1.10 PRODUCCION DE AMINOACIDOS (LISINA Y ACIDO GLUTAMICO) E INSULINA Muchos organismos son capaces de sintetizar aminoácidos compuestos por nitrógeno inorgánico. La concentracion y cantidad de aminoácidos producidos pueden sobrepasar las necesidades celulares para la síntesis de proteínas, en cuanto a los aminoácidos excedidos son excretados dentro de la célula. Algunos microorganismos con capaces de producir ciertos aminoácidos tales como la lisina, el acido glutámico y triptófano. Los metabólitos primarios son usados por organismos primarios para sintetizar los siguientes componentes. Algunos organismos aérobicos C. glutamicum pueden producir lisina. Los mutantes de C. glutamicum son capaces de producir altas concentraciones de lisina; la concentracion apreciable pueden alcanzar los 50 gl-1. La lisina es uno de los veinte aminoácidos esenciales para síntesis de proteínas. El bajo peso molecular de los productos celulares como los metabólitos primarios son esenciales para el crecimiento celular. Otros grupos de productos microbianos conocidos como metabólitos secundarios no son directamente involucrados en la síntesis de biomoléculas como los antibióticos. Los metabólitos secundarios también son producidos por ciertos microorganismos; ellos no son organismos de rápido

crecimiento, como los productos preciados encontrados en las últimas etapas del ciclo de crecimiento celular. Los metabólitos primarios son involucrados en la biosíntesis de las células, mientras que los metabólitos secundarios son principalmente considerados productos biológicamente útiles fácilmente comerciales teniendo así numerosas aplicaciones. Los metabólitos secundarios pueden contribuir a ciertas acciones como la anti supervivencia de los organismos. La acción detallada de los metabólitos secundarios puede ser competidora e inhibidora en los sistemas de crecimiento. Los organismos a través del crecimiento rápido; cuando más adelante el crecimiento es detenido por el agotamiento de nutrientes esenciales en el medio, los organismos entran a la siguiente fase. Los metabólitos secundarios son frecuentemente usados para le control y supervivencia; por lo tanto, son mas benéficamente usados para drogas y productos farmacéuticos.

1.10.1 Escalamiento de la producción de aminoácidos La lisina es un aminoácido esencial para la nutrición de los humanos y es usado como suplemento alimentario con pan y otros productos alimenticios. Este aminoácido es un producto que es también usado como aditivo alimentario y proteína cereal. Uno de los métodos comerciales para la producción de lisina consiste en dos etapas de procesos usando dos especies de bacterias como las siguientes: 1. Formación acido diaminopmelico (DAP) por E.coli 2. Decarboxilación de DAP por Enterobacter aerogenes Las fuentes de carbono más reconocidas y estudiadas para la producción de aminoácidos son el maíz, el almodón de papa, melazas y suero lácteo. Si las féculas son usadas para este proceso, es importante que estas sean hidrolizadas a glucosa para asi obtener altos rendimientos en la producción. Escherichia coli es puesta a crecer en un medio consistente de glicerol, licor de maíz remojado, y fosfato diamónico bajo condiciones aeróbicas con temperatura controlada y pH para un periodo de incubación de tres días. Muchas especies de microorganismos, especialmente bacterias y hongos son capaces de producir cantidades considerables de acido glutámico. El acido glutámico es producido por metabólitos microbianos de Micrococcus, Arthrobacter y Brevibacterium a través del ciclo de Krebs. El glutamato monosódico es conocido como un saborizante en la industria de alimentos. El medio generalmente utilizado para la producción de este consiste en carbohidratos, peptona, sales inorgánicas y biotina. La concentracion de biotina, tiene una influencia significativa en el rendimiento del acido glutámico. El acido α-ketoglutarico es un intermediario en el ciclo del acido tricarboxílico o el ciclo de krebs y es el precursor del acido glutámico. La conversión del acido α-ketoglutarico a acido glutámico es acompañado en presencia del acido

glutámico deshidrogenasa (GDH), amoniaco, y nicotinamida adenina dinucleotido fosfato (NADPH) como se muestra en la siguiente ecuación:

Las células asimilan nitrógeno incorporando en ellas acido α-ketoglutarico, luego a acido glutámico y glutámina.

1.10.2 Insulina En el cuerpo humano, una tercera parte de la glucosa proveniente de la dieta es convertida a glucógeno en el hígado. Cerca de la mitad de mitad de los carbohidratos provenientes de la dieta son convertidos a glucógeno en los tejidos musculares. Los carbohidratos restantes son inmediatamente oxidados por los requerimientos energéticos del cuerpo. Tanto el consumo de glucosa como la síntesis de esta son estimuladas por hormonas péptidicas producidas por el páncreas conocido como insulina, hormona de gran importancia en el metabolismo de los carbohidratos y las grasas en el cuerpo humano. La hormona estimula el glucógeno agotándolo y liberándolo en glucosa en el hígado. En hecho, la insulina actúa recíprocamente cuando los niveles de azúcar son altos respondiendo y regulando la glucosa de la sangre, asegurando que la concentracion de azúcar en la sangre este relativamente constante y en niveles seguros (110 mg dl-1). La glucosa sobrante es polimerizada y almacenada en el hígado y músculos como glucógeno. La insulina es uno de los productos farmacéuticos producidos comercialmente por bacterias genéticamente modificadas. Anteriormente, la insulina comercial era aislada de tejidos pancreáticos de animales. La insulina microbiana fue disponible a partir del año de 1982. El gen humano de la insulina es introducido en el genoma de una bacteria como la E. coli. Dos ventajas mayores de la producción de insulina a partir de microorganismos son que la insulina resultante es químicamente idéntica a la insulina de los humanos y que puede ser producida en cantidades ilimitadas.

1.11 ANTIBIOTICOS Y PRODUCCION DE PENICILINA La producción comercial de penicilina y otros antibióticos es una de las manifestaciones más dramáticas de la microbiología industrial. La producción anual de penicilina es aproximadamente de 15000 toneladas métricas, con un mercado anual de ventas de mas de US$400 millones. Las ventas mundiales de los cuatro grupos más importantes de antibióticos, normalmente penicilina, cefalosporina, tetraciclina y Eritromicina, son US$ 4.2 x 103 millones por año. El primer hongo aislado por Alexander Fleming a principios de 1940 fue Penicillium notatum. El noto que esta especie de hongo mataba sus cultivos de Staphyloccus aureus. La producción de

penicilina es ahora hecha por una meor especie productora de penicilina, conocida como Penicillium chrysogenum. El desarrollo de técnicas de cultivos sumergidas aumento la cultivación de hongos en una operación a gran escala usando aire estéril suministrado. P. chrysogenum puede producir 1000 veces más penicilina que el cultivo original de Fleming. Varios subproductos de desecho, incluyendo melazas, licor de maíz, productos de desecho de la industria azucarera y maíz húmedo molido pueden ser usados para la producción de penicilina. La estreptomicina es comúnmente producida por bacterias Actinomycetes. Los pasos en la comercialización y producción de penicilina son: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Preparación del inoculo. Preparación y esterilización del medio Inoculación del medio en el fermentador Aireación forzada con aire estéril durante la incubación Eliminación de micelios del hongo después de la fermentación Extracción y purificación de la penicilina

1.12 PRODUCCION DE ENZIMAS Muchos hongos sintetizan y excretan granndes cantidades de enzimas dentro de sus medios circundantes. Las enzimas son proteínas; se desnaturalizan por calor y son extraídas por o precipitadas por disolventes químicos como el etanol y sales inorgánicas como el sulfato de amonio. Las coenzimas también son proteínas con moléculas orgánicas de bajo peso molecular como la vitamina B. es industrialmente aplicable y económicamente factible de producir, concentrar, extraer y purificar enzimas provenientes de cultivos de hongos tales como Aspergillus, Penicillium, Mucor y Rhizopus.las enzimas de hogos como las amilasas, invertasas, proteasas, y pectinasas son usadas para el procesamiento y refinamiento de materiales. Las amilasas hidrolizan el almidón a dextrinas y azucares. Estos son usados para la producción y elaboración de adhesivos, quita manchas, clarificadores de jugos, manufacturación de fármacos y otros productos. La invertasa hidroliza la sacarosa a glucosa y fructosa (azucares invertidos). Es ampliamente usada en la elaboración de golosinas y en la producción de sirope monocristalizable de sacarosa, como es en parte hidrolizada por esta enzima. Las enzimas proteolíticas como las proteasas son usadas en la industria de cuero para obtener mejores texturas de estas. Las proteasas también son usadas en la manufacturación de engrudos líquidos, pegamentos, telas de seda y clarificación de proteínas de cerveza. Estas enzimas también han sido usadas en forma inmovilizada en la fabricación de detergentes y jabones. La Pectinasa se utiliza en la clarificación de zumos de fruta y para hidrolizar las pectinas en el enriado del lino para la fabricación de ropa. La apoenzima es la porción proteica de la enzima que está inactiva. La reacción entre coenzimas de bajo peso molecular y apoenzima da holoenzima activa: Apoenzima + coenzima

Holoenzima (activa)

1.13 PRODUCCION DE LEVADURA DE PANADERIA El uso de la levadura como agente de fermentación en la cocción se remonta a los primeros historias de los egipcios, griegos y romanos. En aquellos días, el pan fermentado se hacía mezclando la masa sobrante del pan anterior con masa fresca. En la cocción moderna, los cultivos puros de cepas seleccionadas de Saccharomyces cerevisiae se mezclan con la masa de pan para producir los cambios deseados en la textura y el sabor del pan. Las características de las cepas de S. cerevisiae se seleccionan para la producción comercial de levadura de panadería. Estas cepas tienen la capacidad de fermentar azúcar en la masa de forma vigorosa y rápida. Las cepas seleccionadas deben ser estables y producir dióxido de carbono, que resulta del proceso de fermentación para fermentar o elevar la masa. La calidad del pan depende de la cepa de levadura seleccionada, el período de incubación y la elección de las materias primas. Los azúcares en la masa del pan son fermentados por la levadura a etanol y CO2, y el CO2 hace que el pan suba. En la fabricación de levadura de panadería, la cepa de reserva se inocula en un medio que contiene melaza y licor de maceración de maíz. El pH del medio se ajusta para que sea ligeramente ácido a pH 4-5. El pH ácido puede retardar el crecimiento bacteriano. El medio inoculado se airea durante el período de incubación. Al final, las células se recolectan centrifugando el caldo de fermentación y se recuperan mediante filtro prensa. Se agrega una pequeña cantidad de aceite vegetal para actuar como un plastificante, y luego la masa celular se moldea en bloques. El proceso es observado en la Figura 1.2. En la Figura 1.3 se muestra un conjunto completo de biorreactores con controladores de pH y temperatura. El conjunto completo de fermentadores con todas las unidades de control de accesorios crea una buena oportunidad para proporcionar una producción adecuada de productos bioquímicos con variación de los parámetros del proceso. El bombeo de nutrientes frescos y el funcionamiento en lotes, en lotes alimentados y en modo continuo son fáciles y adecuados para producir productos químicos finos, aminoácidos e incluso antibióticos.

Figura 1.2. Producción comercial de levadura de panadería.

Figua 1.3. conjunto completo de fermentadores con todo los accesorios y unidades controladoras.

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2. TECNOLOGIA ENZIMATICA

2.1 Introducción Una enzima es una proteína o un compuesto orgánico que es similar a una proteína y tiene actividades catalíticas. Una enzima actúa muy específicamente con un grupo funcional especificado que actúa como un sitio activo. Una enzima [E] interactúa con el sustrato [S] y, como resultado, se forma un complejo enzimático de sustrato [ES] como compuesto intermedio. Las reacciones de iniciación son reversibles y se alcanza el equilibrio. Luego, el compuesto intermedio pasa por una reacción irreversible para producir un producto y una enzima libre. La enzima liberada busca un sustrato para formar un [ES]. El mecanismo de reacción definido continúa hasta que los sustratos se convierten en productos. De hecho, la presencia de la enzima en el medio de reacción es para acelerar la velocidad de reacción. El concepto de reacción como energía involucrada es similar al mecanismo de reacción catalítica. La mayoría de las enzimas se nombran de acuerdo con la reacción involucrada. Generalmente, todas las enzimas llevan el nombre de la reacción con un sufijo como "ase", por ejemplo, una enzima amilolítica que reacciona con amilosa se llama amilasa; eso significa que la enzima que hidroliza la amilosa se llama amilasa. Además, la configuración orgánica es similar a los carbohidratos que se especifican para la enzima

también. Otro ejemplo es que la enzima que cataliza la descomposición de la urea se denomina ureasa. La enzima que reacciona con la tirosina se conoce como tirosinasa. El nombre de la enzima que interactúa con un sustrato como el ácido úrico es la uricasa. Las reacciones enzimáticas pueden tener lugar en fases homogéneas o heterogéneas. Depende de las fases o condiciones de la enzima y el sustrato. En general, pueden ocurrir tres casos. Si la enzima es soluble y el sustrato está en la fase líquida, que se llama fase homogénea, la enzima y el sustrato interactúan en una sola fase líquida. En este caso, tanto la enzima como el sustrato son solubles en una fase acuosa. En el caso de la fermentación en estado sólido (SSF), un sustrato sólido como el salvado de arroz o las habas de soja utiliza un cultivo específico, digamos Aspergillus niger, que vive en nutrientes licuados. El sustrato sólido debe contener la humedad deseada, y el proceso SSF libera con éxito la enzima. Este proceso se conoce como heterogéneo, ya que existe más de una fase. Para la producción de enzimas, están involucrados varios biorreactores. Los biorreactores de bandejas a menudo se emplean para SSF. Los lixiviados de los medios sólidos se recogen para la recuperación de una enzima. En este caso, las enzimas están disponibles en una fase acuosa mientras que los sustratos permanecen en la fase sólida. En el caso heterogéneo, cualquiera de las enzimas o sustratos están en fases sólidas o líquidas. En el caso de SSF, los organismos utilizan un sustrato para generar biomasa y una enzima. La enzima puede estar involucrada en una reacción enzimática adicional. La enzima o los organismos deben penetrar en un sustrato sólido para la licuefacción del sólido y, como resultado del lavado, se aíslan los productos sólidos. En SSF, las enzimas liberadas se lavan del lecho sólido, mientras que la biomasa celular se lava junto con la enzima liberada. Mientras, que el tercer caso puede ser inverso del segundo caso, como el sustrato es disponible en la fase liquida si bien la enzima es insoluble o en fase solida (enzima insoluble mas sustrato soluble). Un ejemplo de un tipo II de reacción es le uso de la amilasa, lipasa y proteasas en detergentes. La enzima soluble interactua con el sustrato insoluble adherido a la superficie de la tela, y como resultado, el producto es soluble. Para la reaccion enzimática tipo III, la enzima es insoluble; la enzima es inmobilizada en un soporte solido y luego es empaquetada en una columna. El sustrato soluble pasa a través del lecho de la enzima. En la meyoria de veces, el segundo tipo de sustrato soluble es preferido. Para los casos simples, ambas enzimas y sustratos están en fase acuosa.

2.2 CINETICA DE REACCION ELEMETARIA DE LA ENXIMA

Definiremos el sustrato [S] a la urea, (NH2)2CO, y la enzima apropiada [E] para hidrólisis de urea será la ureasa. El producto es definido como [P], CO2 y NH3. Los

mecanismos de la reacción para el complejo enzima-sustrato se representa en la siguiente ecuación:

En el siguiente paso, como los componentes intermedios son hidrolizados, las ureasa es liberada; el producto obtenido es amoniaco y dióxido de carbono. La reacción es irreversible, expresada en la siguiente ecuación:

La utilización del sustrato –rs esta dada con la siguiente ecuación: −𝑟𝑠 = 𝑘1 [𝐸][𝑆] − 𝑘−1 [𝐸𝑆]

(2.2.5)

En equilibrio para la contante de concentracion intermedia, la cinetica de cambio de intermedio con respecto al tiempo cero esta dada como: 𝑟𝐸.𝑆 = 0 = 𝑘1 [𝐸][𝑆] − 𝑘−1 [𝐸𝑆] − 𝑘𝑆 [𝐻2 O][ES]

(2.2.6)

La cinética de hidrólisis del complejo intermedio está dada como: 𝑟𝑝 = 𝑘𝑠 [𝐸𝑆][𝐻2 𝑂]

(2.2.7)

Basado en equilibrio, uno puede calcular el complejo intermedio [ES] acordado en la siguiente relación: [𝐸𝑆] =

𝑘1 [𝐸][𝑆] 𝑘−1 + 𝑘𝑠 [𝐻2 𝑂]

(2.2.8)

Cuando parte de la concentracion enzimática inicial es activa y la restante es fijada en el sustrato como un complejo intermedio [E0]=[E]+[ES], se puede definir la parte libre de la enzima como [E]=[E0]-[ES]; ahora podemos sustituir la enzima libre [E] en la ecuación de arriba, como resultado se da la siguiente relación: 𝑘1 ([𝐸0 ] − [𝐸𝑆])[𝑆] = [𝐸𝑆](𝑘−1 + 𝑘𝑠 [𝐻2 𝑂])

Volvemos a la ecuación 2.2.6, entonces resolvemos para [ ES]:

(2.2.9)

[𝐸𝑆] =

𝑘1 [𝐸0 ][𝑆] 𝑘−1 + 𝑘𝑠 [𝐻2 𝑂] + 𝑘1 [𝑆]

(2.2.10)

En el caso de la hidrólisis, la concentracion de agua comparado con la enzima y el sustrato esta en exceso, por lo tanto uno puede asumir una nueva constante 𝑘 ′ = 𝑘𝑠 [𝐻2 𝑂]. Entonces, sustituimos la concentracion en la ecuación 2.2.10, como resultado da: −𝑟𝑠 =

𝑘 ′ 𝑘1 [𝐸0 ][𝑆] 𝑘−1 + 𝑘 ′ + 𝑘1 [𝑆]

(2.2.11)

Ahora definimos una constante conocida como la constante de Michaelis-Menten k M = 𝑘1 + 𝑘 ′ y 𝑘 ′ 𝑘1 [𝐸0 ] como la velocidad máxima especifica:

𝑉𝑚𝑥 = 𝑘 ′ 𝑘1 [𝐸0 ]

(2.2.12)

Finalmente la ecuación 2.2.11 𝑉=

𝑉𝑚𝑥 𝑆 𝑘𝑀 + 𝑆

(2.2.13)

Para uno estimar la concentracion enzimática, la velocidad de utilización del sustrato puede ser calculada por la ecuación de arriba. La figura 2.1 se observa la velocidad de consumo de sustrato versus concentracion.

Figura 2.1 ilustración de parámetros de Michaelis-Menten.

Cuando la concentracion del sustrato es baja en comparación con kM −𝑟𝑠 =

𝑉𝑚𝑥 𝑆 𝐾𝑀

(2.2.14)

Mientras la concentracion alta del sustrato, la velocidad de reaccion enzimática puede alcanzar velocidades constante en un valor máximo; por medio -rs=Vmx. Para el caso del sustrato S es igual a KM, la velocidad es la mitad de la velocidad máxima, como es indicada en la anterior figura ilustrada: −𝑟 =

𝑉𝑚𝑥 2

(2.2.15)

Los parámetros en la velocidad modelo Vmx es dependiente dentro de la concentracion enzimática, mientras, KM es independiente. Para un reactor alimentado (Batch),