Microbiología Industrial

¿Qué es la microbiología industrial?

Según la Sociedad de Microbiología Industrial y Biotecnología, la microbiología industrial puede definirse como, Por tanto, la Microbiología Industrial incluye ámbitos como

• Producción de vino y cerveza
• Productos farmacéuticos
• Servicios de diagnóstico y pruebas
• Productos agrícolas
• Enzimas industriales

Reseña histórica de la microbiología industrial

Los seres humanos, sin saberlo, llevan miles de años utilizando microorganismos. Los egipcios utilizaban la levadura para hornear y los chinos empleaban mohos y otros microorganismos para fermentar los alimentos. Entre los acontecimientos significativos de la historia de la Microbiología Industrial se incluyen: En el siglo XX, los avances en biología genética y molecular dieron lugar a la biotecnología moderna. En consecuencia, se ha ampliado el ámbito de la microbiología industrial. Ahora no sólo incluye los procesos tradicionales de fermentación y tratamiento de residuos, sino también la ingeniería genética y otras aplicaciones tecnológicas modernas.

Aplicaciones de la microbiología industrial

Los microorganismos se han utilizado mucho en determinados ámbitos de la actividad industrial. Estas actividades incluyen la producción de fármacos, alimentos, bebidas, biotecnología e incluso productos de limpieza, y dependen en gran medida del trabajo de estas diminutas criaturas.

Papel de la microbiología industrial en la asistencia sanitaria

Es fascinante observar la contribución de la microbiología industrial a la asistencia sanitaria. Productos sanitarios como las vacunas, los antibióticos, la insulina y otros medicamentos se producen industrialmente mediante procesos microbianos. El primer antibiótico ampliamente utilizado fue la penicilina, derivada del moho Penicillium. Alexander Fleming lo descubrió en 1928. Sin embargo, la producción a gran escala de este "medicamento milagroso" comenzó en la década de 1940, tras la aplicación de los procesos microbiológicos industriales. Además, se han utilizado bacterias modificadas genéticamente para producir insulina, así como otras proteínas de uso médico.

Microbiología industrial en la agricultura y la producción alimentaria

La Microbiología Industrial tiene importantes aplicaciones en la agricultura y la producción de alimentos. Los microorganismos se utilizan en la producción de alimentos fermentados en los que su actividad produce un cambio deseable en el producto final. Esto incluye productos alimenticios y bebidas como el queso, el yogur, el pan, el vino y la cerveza. Los microorganismos también desempeñan un papel importante en la agricultura. Algunas bacterias, como Rhizobium, viven en los nódulos radiculares de las leguminosas y fijan el nitrógeno atmosférico en una forma utilizable por la planta. El uso de este "fertilizante biológico" reduce en gran medida la necesidad de fertilizantes químicos nitrogenados. Por último, los microorganismos se utilizan en la producción de biocombustibles y son vitales en los procesos de tratamiento de residuos, convirtiendo los residuos orgánicos en sustancias inofensivas como dióxido de carbono, nitrógeno y agua.

Procesos en microbiología industrial

En microbiología industrial se utilizan predominantemente dos tipos principales de procesos para cultivar microorganismos y producir los productos deseados: el proceso por lotes y el proceso continuo. Ambos métodos tienen características, ventajas e inconvenientes únicos. Los microbiólogos industriales eligen el método adecuado en función de los requisitos específicos del producto y de las características de los microorganismos implicados.

Proceso por lotes en microbiología industrial

Además, en el proceso por lotes, se añade al sistema una cantidad aislada y fija de solución nutritiva al principio del proceso. Los microorganismos, tras la inoculación, empiezan a crecer y a producir los productos deseados. Una vez agotada la solución nutritiva, se procede a la recuperación del producto y se limpia el sistema o el fermentador antes de iniciar el siguiente lote. El procesamiento por lotes requiere distintas fases para su ejecución:

• Fase de latencia: Periodo de adaptación en el que los microorganismos se adaptan al nuevo entorno.
• Faselogarítmica o fase exponencial: El crecimiento de los microorganismos es el más rápido, y el sustrato (solución nutritiva) se aprovecha al máximo. La formación del producto deseado también se inicia durante esta fase.
• Faseestacionaria: El crecimiento de los microorganismos se detiene debido a la disminución de nutrientes y al aumento de productos de desecho. La tasa de producción de nuevas células es igual a la tasa de células que mueren.
• Fase demuerte: El agotamiento de los nutrientes y un entorno tóxico debido a los productos de desecho provocan la muerte de los microorganismos.

El procesamiento por lotes tiene la ventaja de ser sencillo y requerir una inversión inicial menor. Sin embargo, sus principales desventajas son el funcionamiento no continuo, la inconsistencia en la calidad del producto y la necesidad de una limpieza intermitente.

El proceso continuo en microbiología industrial

El proceso continuo, por otra parte, se diferencia del proceso por lotes en que funciona indefinidamente mediante el suministro continuo de nutrientes y la eliminación de productos. Este proceso evita la fase de retardo y la fase de muerte que se observan en el procesamiento por lotes, aumentando así la productividad. La fermentación continua se adopta ampliamente para la producción de alcohol, ácidos orgánicos, disolventes y ciertos metabolitos secundarios. Una de las ventajas significativas de la fermentación continua es la mayor productividad debida a la eliminación del tiempo de inactividad para la limpieza y la puesta a punto. También garantiza una salida de producto constante y de alta calidad. Sin embargo, las desventajas son que los sistemas de fermentación continua requieren complicados sistemas de control y seguimiento y tienen un mayor riesgo de contaminación durante un largo periodo. En general, ambos procesos tienen aplicaciones y ventajas específicas. La selección del tipo de proceso depende de factores como el tipo de microorganismo, el producto, la duración del proceso, las ventajas operativas y los costes de instalación y funcionamiento. La comprensión de estos dos procesos forma parte integrante de la Microbiología Industrial y es fundamental para el diseño y el funcionamiento de los biorreactores en la industria.

Productos de Microbiología Industrial

La Microbiología Industrial ofrece una amplia gama de productos que se utilizan en diversas industrias y en la vida cotidiana. La magia reside en aprovechar las propiedades específicas de los microorganismos para la producción a gran escala de dichos productos. Los productos abarcan sectores como la sanidad, la elaboración de alimentos, la agricultura y la gestión medioambiental. Algunos productos clave son los antibióticos, las enzimas, los biocombustibles, los alimentos fermentados, los probióticos e incluso productos más complejos, modificados genéticamente, como la insulina.

Producción de antibióticos en microbiología industrial

Los antibióticos han revolucionado la asistencia sanitaria y han abierto una nueva era en la ciencia médica. Una parte importante de la producción de antibióticos es una ingeniosa aplicación de la microbiología industrial. El proceso implica el cultivo de mohos o bacterias específicos, que conduce a la producción de sustancias antibióticas. En el fondo, los antibióticos son metabolitos secundarios producidos por microorganismos para combatir a otros microorganismos en su entorno natural. Aprovechando esto, los microbiólogos industriales utilizan cepas de organismos que son grandes productores de estos metabolitos secundarios. El proceso comienza con la búsqueda e identificación de una cepa potente, seguida de su mutación y selección para obtener una cepa mejorada y de alto rendimiento. En particular, antibióticos como la penicilina y la cefalosporina son productos de los mohos Penicillium y Cephalosporium respectivamente. Estos mohos se cultivan en grandes tanques de fermentación con temperatura controlada, aireación y condiciones estériles. Los tanques se llenan con medios de cultivo que proporcionan los nutrientes necesarios, y los mohos producen antibióticos como metabolitos secundarios. Aquí, es crucial conocer a fondo el ciclo de crecimiento del moho y el momento adecuado para cosechar los antibióticos. Los antibióticos producidos se separan del caldo de fermentación, se purifican y se convierten en formas farmacéuticas. El proceso requiere un importante control de calidad, ya que los productos se utilizan en la asistencia sanitaria.

Producción industrial de enzimas

Las enzimas son moléculas proteicas que catalizan reacciones bioquímicas. Son cruciales para diversos procesos industriales y se generan aprovechando la actividad metabólica de los microorganismos. La producción industrial de enzimas implica la selección de un microorganismo productor de enzimas, el desarrollo de un entorno óptimo para que produzca enzimas y, a continuación, la extracción y purificación de las enzimas. La producción de enzimas depende en gran medida de la naturaleza del organismo utilizado y de sus condiciones ambientales. Factores como la temperatura, el pH, la aireación y la concentración de nutrientes pueden tener un impacto significativo en la producción de enzimas. Así pues, el proceso industrial se orienta a mantener unas condiciones óptimas para la máxima producción de enzimas, que luego se recogen del caldo de fermentación, se separan y se purifican antes de convertirlas en un producto adecuado para su aplicación. Las enzimas encuentran su aplicación en diversos sectores. Por ejemplo, las enzimas proteasas se utilizan en los detergentes para descomponer las manchas a base de proteínas, mientras que las enzimas amilasa y celulasa se utilizan en la industria papelera para descomponer el almidón y la celulosa, respectivamente. La producción industrial de enzimas y antibióticos son dos ejemplos destacados de la contribución de la Microbiología Industrial a los sectores sanitario y biotecnológico. Cada proceso implica la selección, optimización y gestión de cultivos microbianos en un entorno cuidadosamente controlado para obtener productos fiables y de alta calidad.

Microbiología industrial y biotecnología

La Microbiología Industrial y la Biotecnología se complementan para aportar soluciones novedosas a retos complejos en distintos campos. La Biotecnología, una disciplina más amplia, implica el uso de procesos, organismos o sistemas biológicos para fabricar productos. Por otra parte, la Microbiología Industrial, una rama vital de la Biotecnología, utiliza microorganismos para la producción de esos valiosos productos. Juntas, pueden reportar importantes beneficios, como avances médicos, sostenibilidad medioambiental y productividad agrícola. La Bioinformática y la Ingeniería Genética son dos herramientas críticas que tienen profundas implicaciones en la Microbiología Industrial.

Bioinformática en Microbiología Industrial

La bioinformática es la aplicación de la tecnología informática a la gestión de datos biológicos. En el contexto de la Microbiología Industrial, las herramientas bioinformáticas ayudan a anotar, almacenar, recuperar, organizar, analizar, compartir y visualizar conjuntos de datos complejos asociados a la microbiología. La bioinformática desempeña un papel vital en la identificación de genes microbianos, la comprensión de sus funciones, la predicción de sus interacciones y la revelación de su papel en la producción de productos valiosos. Se ocupa de la secuenciación genómica, el análisis proteómico, la construcción de vías metabólicas y toda una serie de otros intrincados análisis. Los procesos de Microbiología Industrial, como la mejora de cepas, la ingeniería de proteínas y la optimización de la fermentación, pueden beneficiarse enormemente de la bioinformática. Por ejemplo, las herramientas bioinformáticas pueden ayudar a predecir la tasa metabólica de una cepa, lo que conduce a estrategias de mejora de cepas más eficaces. Además, la bioinformática desempeña un papel fundamental en la mejora de nuestra comprensión de la diversidad y la ecología microbianas, contribuyendo al desarrollo de mejores estrategias medioambientales y de gestión de residuos. Algunas aplicaciones clave de la bioinformática en la microbiología industrial son:

• Anotación del genoma microbiano: Con la aparición de las técnicas de secuenciación de alto rendimiento, se ha producido un aumento de los datos sobre genomas microbianos. Las herramientas bioinformáticas ayudan a anotar estas secuencias genómicas, identificando genes y prediciendo sus funciones. Esto ayuda en la selección y manipulación de microbios para aplicaciones industriales específicas.
• Análisis proteómico: La bioinformática ayuda a estudiar todo el conjunto de proteínas que puede producir un microbio. Comprender estas proteínas puede ayudar a diseñar procesos industriales que las exploten.
• Construcción de rutas metabólicas: La bioinformática permite trazar y analizar las rutas metabólicas de los microbios. Esto ayuda a optimizar los microbios para obtener el máximo rendimiento productivo en las industrias.

Ingeniería genética en microbiología industrial

La ingeniería genética implica la manipulación directa de los genes de un organismo mediante la biotecnología. Ofrece soluciones prometedoras para amplificar el rendimiento y la eficacia de los productos en Microbiología Industrial. La Ingeniería Genética, utilizada a fondo en Microbiología Industrial, permite diseñar y construir nuevas piezas, dispositivos y sistemas biológicos. Además, permite rediseñar sistemas biológicos naturales existentes para fines útiles. Los microbios pueden modificarse genéticamente para mejorar su capacidad de producir los productos deseados en mayores cantidades o para introducir vías de producción completamente nuevas. Entre las aplicaciones clave de la Ingeniería Genética en Microbiología Industrial se incluyen:

• Producción de insulina sintética: Mediante la inserción del gen responsable de la producción de insulina en una bacteria, ésta puede producir insulina humana a gran escala.
• Mejora de las cepas: Los microorganismos pueden modificarse genéticamente para mejorar su eficacia en la formación de productos. Por ejemplo, las cepas de levadura utilizadas en las industrias cerveceras suelen modificarse genéticamente para mejorar su tolerancia al alcohol, aumentando así el rendimiento neto de alcohol.
• Aplicaciones medioambientales: Los microbios pueden modificarse genéticamente para degradar contaminantes específicos, proporcionando tratamientos para residuos industriales o vertidos de petróleo.

La ingeniería genética sirve de acelerador para mejorar las capacidades de los microbios. En esencia, la Bioinformática y la Ingeniería Genética sirven de catalizadores para aumentar la eficacia, el alcance y el potencial de la Microbiología Industrial. Juntas, aportan sinergias para impulsar las innovaciones y los avances en Biotecnología a escala mundial.

Proceso de fermentación en Microbiología Industrial

La fermentación tiene un papel central en la Microbiología Industrial. Al ser un proceso anaeróbico en el que los microorganismos descomponen sustancias orgánicas, se utiliza ampliamente para producir una amplia gama de productos, como biocombustibles, ácidos orgánicos, enzimas, alimentos fermentados y alcohol. El proceso navega hacia la optimización de las condiciones de crecimiento de los microorganismos seleccionados, ofreciéndoles un entorno ideal para llevar a cabo las reacciones de fermentación.

Importancia de la fermentación en la microbiología industrial

No se puede exagerar la importancia de la fermentación en la microbiología industrial. No sólo sirve para producir multitud de productos que afectan a casi todos los aspectos de la vida humana, sino que también aprovecha medios ecológicos, utilizando recursos renovables para fabricar productos de base biológica. En el ámbito sanitario, la fermentación es la base de la producción de antibióticos, vacunas y otras proteínas terapéuticas. Un ejemplo notable es la producción de insulina para el tratamiento de la diabetes. En lugar de extraer insulina de páncreas animales, la tecnología del ADN recombinante permite insertar genes de insulina humana en bacterias como la Escherichia coli, y utilizando el proceso de fermentación, estas bacterias proceden a producir insulina humana a gran escala. Además, los alimentos fermentados, como el queso, el yogur y las bebidas fermentadas, deben su existencia al proceso de fermentación. En estos casos, las bacterias beneficiosas se nutren para fermentar azúcares y producir diversas series de productos lácteos, cada uno con sabor, textura y beneficios nutricionales distintos. En el ámbito de las energías renovables, el proceso de fermentación es vital para producir biocombustibles como el etanol y el biodiésel. Utilizar microorganismos para fermentar la biomasa y convertirla en esos combustibles es una alternativa sostenible a los combustibles fósiles, que mitiga las emisiones de gases de efecto invernadero y aprovecha los recursos renovables.

Tipos de técnicas de fermentación en microbiología industrial

Hay varios tipos de técnicas de fermentación utilizadas en Microbiología Industrial, cada una adaptada a las necesidades del producto específico y a las características del microorganismo implicado.

• Fermentación por lotes: Se trata de un proceso en sistema cerrado en el que el medio de fermentación y los microorganismos se colocan en el interior de un fermentador al principio, y no hay más adición ni retirada de material hasta el final de la fermentación. El proceso se repite en ciclos sucesivos conocidos como lotes. Es un montaje sencillo con bajos costes de funcionamiento y muy utilizado en la producción de alcohol y ácidos orgánicos.
• Fermentación por lotes: Similar a la fermentación por lotes, pero con una distinción importante: se añaden nutrientes durante el proceso. Esto garantiza un suministro continuo de nutrientes para el crecimiento microbiano, evitando el agotamiento de los nutrientes. Se suele utilizar en el proceso de producción de antibióticos y enzimas.
• Fermentación continua: En este proceso, se suministra continuamente medio fresco mientras se retira continuamente el medio fermentado. Esto garantiza un estado estable de crecimiento microbiano. Es especialmente beneficioso para los productos que se segregan extracelularmente. Sin embargo, requiere un control estricto de las condiciones ambientales, lo que puede hacerla potencialmente más costosa que la fermentación por lotes o por lotes alimentados.

La tabla siguiente ilustra una comparación entre los tres tipos de técnicas de fermentación: En conclusión, cada técnica de fermentación tiene sus ventajas e inconvenientes, y la elección de una u otra depende en gran medida de las características específicas del proceso, la naturaleza del producto y del microorganismo, y la viabilidad industrial de las operaciones.