Biotecnologia: Aplicacions i beneficis

Tota aplicació tecnològica que utilitzi sistemes biològics i organismes vius o els seus derivats per a la creació o modificació de productes o processos en usos específics.

Biotecnologia tradicional (fabricació del vi, el pa i el formatge) 🡪 Capacitat fermentativa de microorganismes.

Posteriorment, els microorganismes i els seus productes es van utilitzar en altres processos industrials (fabricació de detergents, manufactura del paper i producció d’antibiòtics).

Biotecnologia moderna (dècada dels 80)🡪 i utilitza tècniques, denominades “enginyeria genètica”, per a modificar i transferir gens d’un organisme a un altre.

COLORS:

vermella: Biotecnologia en processos mèdics.

verda: Es la biotecnologia aplicada a processos agrícoles i al medi ambient

blava/biotecnologia marina: aplicacions de la biotecnologia en ambients marins i aquàtics.

blanca: biotecnologia a la indústria i processos industrials per a substituir els processos habituals per processos biotecnològics menys contaminants i més eficients

* A la síntesi química clàssica, determinats processos es duen a terme a través d’un gran nombre d’etapes. La biotecnologia permet reduir el nombre d’etapes i augmentar-ne l’eficiència i eficàcia

* Minimització de subproductes i residus

* Disminució del consum d’energia en determinats processos

* Obtenció de productes de major qualitat

Estequiometria del creixement dels microorganismes

* els bioreactors son sistemes vius que intercanvien matèria i energia amb l’entorn.

* metabolisme cel·lular es un conjunt d’activitats que inclouen:

- Anabolisme o activitats constructives de molècules complexes a partir de molècules més senzilles amb consum d’energia.

- Catabolisme o activitats de degradació de molècules complexes per a l’obtenció de molècules més senzilles i energia.

* Aquestes activitats són simultànies i la seva naturalesa depèn del tipus de cultiu.

Els cultius que es fan servir a nivell industrial són microorganismes procariotes majoritàriament.

Els microorganismes per créixer necessiten una font d’energia i una font de carboni. Tots els tipus de nutrició observats en eucariotes existeixen en procariotes.

* El valor dels coeficients estequiomètrics es pot determinar si es coneix la composició elemental del pes sec del microorganisme.

* Tenim diferents tipus de nutrients:

- Nutrients majoritaris o macronutrients: Són constituents del propi microorganismes.

- Nutrients minoritaris o traça o micronutrients: Són necessaris per desenvolupar alguna funció del microorganisme.

- Factors de creixement: En determinats casos és necessària la introducció de “factors de creixement” al medi de cultiu perquè el creixement sigui més ràpid.

Formulació de medis de cultiu

La integració de tots els nutrients necessaris porta a l’elaboració de medis de cultiu o solucions nutritives.

Podem classificar els medis de cultiu segons la seva composició en:

- Definits químicament: amb quantitats determinades de compostos orgànics o inorgànics dissolts en aigua destil·lada.

- Complexes: a base d’hidrolitzats. No se’n coneix la composició exacta.

- Semicomplexes o semidefinits, estan formats per elements dels dos tipus anteriors

Efecte dels paràmetres físico-químics sobre el creixement microbià

Les condicions físico-químiques del medi de cultiu poden afectar notablement l’activitat microbiana. Quatre paràmetres amb major influència sobre el creixement:

* temperatura: - Augmenta la velocitat de les reaccions enzimàtiques i químiques de la cèl·lula. El creixement s’accelera.

- Determinades proteïnes poden patir danys irreversibles.

* PH: - Els organismes tenen un rang de 2 -3 unitats de pH en el qual és possible el creixement.

- Els ambients naturals tenen un pH entre 5-9, de manera que els microorganismes que els habiten tenen el seu òptim de creixement dins d’aquests valors

- pH extracel·lular. L’intracel·lular es troba proper a la neutralitat, per tal d’evitar la degradació de macromolècules sensibles a àcids o bases.

Podem distingir entre: Acidòfils: amb creixement a pH baixos. Neutròfils: pH entre 6 i 9 Alcalòfils: amb òptim de creixement a valors de pH al voltant de 10 unitats.

* salinitat / activitat d’aigua: Activitat d’aigua: aigua disponible per als microorganismes, no associada a soluts dissolts en aquesta. A major quantitat de soluts dissolts, menor activitat d’aigua al medi.

Efecte osmòtic: equilibri de salinitat entre medi i citoplasma cel·lular. En medis a baixa concentració de sal/soluts 🡪 balanç d’aigua positiu per a la cèl·lula. En medis a elevada concentració de sal/soluts 🡪 balanç negatiu d’aigua per a la cèl·lula.

Halòfils i Halòfils extrems: - Presenten dependència específica de l’ió sodi. - Poden tolerar medis amb baixa activitat d’aigua.

Halotolerants: - Poden tolerar alguna reducció en l’activitat d’aigua però creixen millor en absència de soluts

No halòfils: - Poden deshidratar-se i morir en medis amb baixa activitat d’aigua.

* l’oxigen dissolt:

Aerobis: Aerobis estrictes: capaços de créixer a pressions d’oxigen normals (21%). Microaeròfils: poden utilitzar l’oxigen quan es troba a nivells inferiors als de l’aire, degut a capacitat limitada de respiració. Aerobis facultatius: poden créixer en condicions aeròbiques o anaeròbiques.

Anaerobis: Anaerobis aerotolerants: creixen en presència d’oxigen però no l’utilitzen. Anaerobis estrictes: són inhibits o inclús moren en presència d’oxigen

Per a dur a terme cultius microbians aerobis s’ha de subministrar oxigen per mitjà de l’aireació.

Per a cultius anaerobis estrictes aquests s’han de dur a terme eliminant traces d’oxigen i manipular el cultiu de manera que hi hagi la mínima exposició a oxigen.

Equacions bàsiques del creixement microbià

El creixement microbià, el consum de substrats i la producció de metabòlits és un sistema altament complex . El creixement cel·lular consta de quatre fases:

1ª fase de latència: les cèl·lules romanen inactives.

2ª fase de creixement exponencial: el medi ric en nutrients propícia el desenvolupament fins a arribar a la tercera fase.

3ª fase estacionària: el nombre de cèl·lules que apareixen noves és igual al nombre de cèl·lules que desapareixen.

4ª fase mort: en el medi ja no hi ha aliment per al desenvolupament de la biomassa i s'arriba a la mort dels microorganismes.