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Etapa 1 de introducción a la biotecnología, Realizado por: Brenda Lilyan…
Etapa 1 de introducción a la biotecnología
Fundamentos de bioquímica
Estructura y función y reproducción de la célula.
Procariotas (bacterias y arqueas).
Características
No tienen núcleo.
ADN circular.
Las más simples y pequeñas.
Altamente adaptables y versátiles.
Nucleoide.
Cápsula.
Flagelo o cilia.
Formas de locomoción.
Reproducción celular
Fisión binaria.
Eucariotas
Tipos
Vegetales
Animales
Organelos
Núcleo
Contiene el material genético
de la célula (ADN).
Mitocondria
Produce energía (ATP).
Cloroplastos
Presentes en células vegetales.
Contienen tilacoides con clorofila (verde), donde ocurre la fotosíntesis.
Retículo endoplásmico
Liso (REL)
Fabrica lípidos.
Rugoso (REG)
Fabrica proteínas.
Aparato de Golgi
Empaqueta y distribuye (proteínas y dioxinas).
Lisosomas
Degradan moléculas y contaminantes.
Membrana plasmática
Permite la entrada y salida de sustancias.
Reproducción celular
Meiosis
Genera gametos con variación genética.
Mitosis
Reproduce 2 células idénticas.
Mecanismos de transporte celulares.
Transporte pasivo
Mecanismo por el cual las sustancias atraviesan la membrana celular a favor de sus gradientes de concentración, por lo tanto no requieren de un aporte energético.
Tipos
Difusión
Ósmosis
Movimiento de agua por membrana semipermeable de menor a mayor concentración de soluto.
Facilitada
Paso de sustancias por la membrana por proteína transportadora, no hay gasto de energía.
Simple
Algunas sustancias atraviesan la membrana celular que es una doble capa lipídica.
Movimiento de moléculas desde mayor a menor concentración para equilibrar.
Presión hidrostática
Fuerza ejercida por un fluido sobre cierta unidad de área, esto puede ocurrir en condiciones de líquido estático o en movimiento.
Presión Osmótica
Presión necesaria para evitar que ocurra ósmosis.
Transporte activo
Tipo de transporte en el cual las sustancias que atraviesan la membrana plasmática lo hacen en contra de un gradiente de concentración y por ello necesitan el aporte energético del ATP.
La bomba de sodio-potasio es una proteína que utiliza energía proveniente de la hidrólisis de ATP para transportar iones de sodio (Na⁺) y potasio (K⁺) en contra de sus gradientes de concentración.
Fotosíntesis
La energía lumínica se transforma en energía química la cual se utiliza posteriormente para fijar el CO₂ atmosférico en la forma de moléculas orgánicas, como los azúcares y la celulosa.
Reacción química general
Metabolismo fotosintético de las plantas
Agua, biomoléculas, iones inorgánicos.
Agua (H₂O)
Sustancia química líquida esencial para la vida.
Representa de 60-70% del peso del ser humano.
Representa en plantas el 95%.
Características
Físicas
Forma puentes de hidrógenos.
El hielo es un cristal de moléculas de agua unidas por puentes de hidrógeno.
Molécula polar.
El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno.
Genera distribución desigual en las cargas.
Solubilidad.
Máxima cantidad de soluto que se disuelve en un disolvente a cierta temperatura.
Solvente universal.
Efecto hidrófobo.
Tendencia del agua a reducir al mínimo su contacto con moléculas hidrófobas.
Ósmosis.
Movimiento del solvente de una región de concentración alta (agua pura) a una región de concentración baja (agua con soluto).
Tensión superficial.
Atracción intramolecular que provoca que un líquido reduzca al mínimo su área superficial.
Permite a insectos caminar sobre el agua.
Calor específico.
Energía necesaria para elevar 1 g de sustancia en 1 °C.
En agua es de 1 cal/g °C que es superior al de cualquier otra sustancia.
Los organismos y ecosistemas pueden regular su temperatura.
Punto de ebullición
Temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido iguala a la presión atmosférica.
Agua = 100 ºC.
Químicas
Ionización del agua.
Ácido-base
En soluciones acuosas el ácido más fuerte es el H₃O⁺ y la base más fuerte es el OH⁻.
Iones inorgánicos
Na⁺ y K⁺
Mantienen el potencial eléctrico en las membranas.
Esencial para impulsos nerviosos.
Ca²⁺
Mineral más abundante en el cuerpo humano.
Esencial para huesos y dientes.
Participa en movimiento muscular.
Participa en la activación de enzimas.
Mg²⁺
Ion central de la clorofila.
Esencial para fotosíntesis.
PO₄³⁻
Componente abundante en ADN, RNA, en fosfolípidos y ATP.
Cl⁻
Regulador de pH y presión osmótica.
Biomoléculas
Carbohidratos
Principal fuente de energía de los seres vivos.
Forma más del 50% de masa seca de la biomasa en la Tierra.
Clasificación
Disacáridos
Formados por dos subunidades de monosacárido unidas por un enlace acetal
Maltosa
Sacarosa
Monosacáridos
Unidad básica de los carbohidratos (un azúcar).
Pueden ser
Polihidroxialdehído
Aldohexosa
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Polihidroxicetona
Cetohexosa
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Se pueden clasificar según los carbonos que contengan.
Polisacáridos
De 10 hasta varios miles de unidades de monosacárido unidos con enlaces glicosídicos.
Almidón
Celulosa
Conformados por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O) en proporción 1:2:1 respectivamente.
Lípidos
Grupo de moléculas heterogéneas.
Casi exclusivamente de carbono (C) e hidrógeno (H).
Debido al tipo de enlaces no polares son hidrofóbicas.
Insoluble en agua, solubles en compuestos orgánicos.
Principal reserva energética.
Forman cubiertas impermeables en los cuerpos de plantas y animales.
Aislantes térmicos.
Actúan como hormonas y vitaminas.
Clasificación
Saponificables (contienen ácidos grasos).
Simples (de 1 a 3 ácidos grasos).
Glicéridos
Saturados
Insaturados
Ceras
Formadas por la esterificación de un alcohol lineal de cadena larga y un ácido graso.
Complejos (lípidos de membrana pueden contener N, P y S).
Fosfolípidos (grupo fosfato).
Esfingolípidos
Fosfoglicéridos.
Insaponificables (no contienen ácidos grasos).
Prostaglandinas
Terpenos
Esteroides
Proteínas
Son largas cadenas de monómeros (aminoácidos).
Formadas por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y en la gran mayoría azufre (S).
Funciones
Protectoras
Estructurales
Enzimas
Catalizan las reacciones
que se efectúan en los sistemas vivos.
Hormonas
Fisiológicas
Ácidos nucleicos
Cadenas de azúcares cíclicos de cinco miembros unidos por grupos fosfato.
Contienen carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y fósforo (P).
Bioquímica
¿Qué es?
Rama de la ciencia que estudia las moléculas y reacciones que hacen posible la vida.
Importancia para ingenieros ambientales
Diseñar procesos que degraden contaminantes.
Entender rutas metabólicas de microorganismos.
Bacterias que se alimentan de una fuente de carbono (hidrocarburos).
Producir hidrocarburos (biocombustibles).
Esterificación de ácidos grasos.
Biodiésel.
Captura y fijación de CO₂.
Microorganismos fotosintéticos.
Incorporan CO₂. como fuente de carbono a sus procesos.
Tratamiento de aguas residuales.
Procesos bioquímicos cíclicos.
Biotecnología tradicional
Producción de alimentos y bebidas a través de fermentaciones.
Pan
Microorganismos
Saccharomyces cerevisiae.
Reacción principal
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
Subproductos
Dióxido de carbono, etanol, calor y biomasa.
Problemáticas ambientales
Emisiones de CO₂.
Aguas residuales con biomasa.
Calor.
Alta DBO.
Queso y yogurt
Microorganismos
Lactobacillus
Streptococcus thermophilus
Reacción principal
C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH(OH)COOH
Subproductos
Suero de la leche con alto DBO/DQO.
Problemáticas ambientales
Malos olores.
Biomasa excesiva.
Procesos de descomposición.
Eutrofización.
Vino
Microorganismos
Saccharomyces cerevisiae.
Oenococcus oeni
Reacción principal
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
C₄H₆O₅ → C₃H₆O₃ + CO₂
Subproductos
Dióxido de carbono, etanol, calor, biomasa y vinazas ácidas.
Problemáticas ambientales
Aguas residuales ácidas.
Emisiones de CO₂.
Calor.
Compuestos fenólicos.
Estocasticidad.
Vinagre
Microorganismos
Acetobacter
Reacción principal
C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O
Subproductos
Aguas ácidas y biomasa.
Problemáticas ambientales
Aguas ácidas
Consumo de O₂.
Consumo de energía.
Vainilla
Proceso
Cultivo
Clima cálido-húmedo, sequía corta para floración.
Propagación
Esquejes (más usada) a diferencia de semillas (difícil).
Soporte
Árboles tutores o estructuras (de madera o concreto).
Polinización
Manual realizarla entre las 6 a.m. y 12 p.m., durará de 8–9 meses maduración.
Cosecha
Vainas cambian de verde a amarillo.
Curado
Escaldado
Se sumergen en
agua (60-80 °C).
Sudado
De 7-10 días al sol, manteniendo un poco de humedad.
Secado
Se dejan al sol, para retirar humedad.
Acondicionamiento
Se almacenan por un año, para tener aroma característico.
Extracto natural
Extracción
Se muelen las vainas, se mezclan con alcohol (35%-40%) y agua.
Filtrar y purificar
Se eliminan partículas por centrifugación.
Adición
Se agrega alcohol para conservar sabor y prevención microbiana.
Envejecimiento
Se deja unos tres meses para intensificar sabor y aroma.
Enzimas
β- d- glucosidasa
Polifenol oxidasas
Peroxidasas
Proteasas
Reacción principal
Glucovanilina → Vainillina + Glucosa
Subproductos
Biomasa, aguas residuales con ácidos orgánicos.
Problemáticas ambientales
Alta demanda de terrenos.
Aguas ácidas.
Biomasa.
Historia
Origen
Selvas tropicales del sureste de México (cultura totonaca).
Usos
Bebida ritual xocolatl (cacao con vainilla).
Expansión al mundo.
Los españoles llegan a América y por medio de los aztecas quienes usaban el xocolatl conocieron el ingrediente secreto conocido como vainilla.
Problema
Dependía de la abeja Melipona.
Solución
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Evolución biotecnológica
Polinización manual estandarizada.
Mejoras genéticas (resistencia a Fusarium y otros hongos).
Síntesis de vainillina artificial, a partir de lignina del licor negro de papel.
Despolimerizar la lignina con NaOH (hidróxido de sodio) o mediante (hidróxido de calcio), a pH alcalinos y a altas presiones y temperaturas.
Café
Microorganismos
Saccharomyces cerevisiae
Lactobacillus
Acetobacter
Reacción principal
C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH(OH)COOH
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O
Subproductos
Aguas ácidas, emisiones de CO₂, biomasa, compuestos fenólicos, carbohidratos, proteínas y pectinas.
Problemáticas ambientales
Emisiones de CO₂.
Aguas residuales ácidas y alto DBO/DQO.
Consumo de O₂.
Consumo de energía.
Malos olores.
Té
Microorganismos
Scoby (Saccharomyces cerevisiae)
Acetobacter
Reacción principal
C₆H₁₂O₆ + O₂ → CH₃COOH + CO₂ + H₂O
Subproductos
Aguas ácidas, emisiones de CO₂, biomasa, compuestos fenólicos.
Problemáticas ambientales
Aguas ácidas.
Corrosión.
Toxicidad microbiana.
Soya
Microorganismos
Aspergillus oryzae
Levaduras
Reacción principal
C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH(OH)COOH
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
Subproductos
Efluentes salinos, ácidos y biomasa.
Problemáticas ambientales
pH alto.
Salinidad.
Efluentes con alto DBO/DQO.
Cerveza
Microorganismos
Saccharomyces cerevisiae.
Reacción principal
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
Subproductos
Dióxido de carbono, etanol, calor y biomasa.
Problemáticas ambientales
Emisiones de CO₂.
Aguas residuales con biomasa.
Calor.
Alta DBO.
Propuesta de solución
La mejora de la transferencia directa de electrones entre especies (DIET) aumenta la producción de metano durante la AD bajo condiciones de alta carga orgánica (OLR).
Objetivos
Evaluar si agregar Methanosarcina barkeri cambia la comunidad arqueal y mejora el proceso.
Evaluar si el carbón activado granular cargado con riboflavina (Rf-GAC) puede mejorar la eficiencia de la DIET en la AD y la producción de metano.
Diseño experimental
3 reactores UASB controlados.
Control
Rf-GAC
Rf-GAC + M. barkeri
Operando por 80 días.
Aumento gradual de carga orgánica (OLR) 4 a 17.5 kg COD/(m³·d).
Resultados
Rf-GAC mejora DQO de 84.5% a cerca del 97%, y metano de 0.247 a 335L/g COD, estabiliza a altas cargas de 12 kg COD/m³·d a 17.5 kg COD/m³·d.
Inoculación de M. barkeri no fue tan relevante, porque Methanothrix dominó.
Genes hdrA y fpoD sobreexpresados, provocando una alta actividad metanogénica.
Realizado por: Brenda Lilyan Sandoval Elizondo
Matricula: 2094923
