Agribiotecnologia bioprocesos y biocombustibles

  • 1,064 views
Uploaded on

 

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
1,064
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
12
Comments
0
Likes
0

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. 12/6/2010 Curso “Bioseguridad y Biotecnología Moderna” La Molina-Lima, 6-10 de diciembre de 2010 PERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONAL 50 45 40 35 30personas U rb a n aMillones 25 R u ra l To ta l 20 15 10 5 0 19 9 7 19 9 9 2 0 0 1 2 0 0 3 2 0 0 5 2 0 0 7 2 0 0 9 2 0 11 2 0 13 2 0 15 2 0 17 2 0 19 2 0 2 1 2 0 2 3 2 0 2 5 2 0 2 7 2 0 2 9 2 0 3 1 2 0 3 3 2 0 3 5 2 0 3 7 2 0 3 9 2 0 4 1 En el año 2020 Año: Año: habrá que alimentar Año: 2041 1997 2007 Población: Población: a 7 millones más de Población estimada: 24’681,045 28’750,770 peruanos 45’700,000 Fuente: INEI TASA DE CRECIMIENTO ANUAL: 500,000 PERSONAS 1
  • 2. 12/6/2010Disponibilidad de tierra cultivable para alimentación (Tierra cultivable en el Perú: 4’000,000 ha) Perú 0.16 0.14 0.11 0.09Para tener en el 2020 los valores del 2007 se debe:1.Incrementar la superficie cultivable en mas de 2 millón de hectáreas(¿de la Amazonía?); e2.Incrementar los rendimientos agrícolas en más de 30% (¿cómo?)Fan chart de la temperatura y pronósticos 1000-2100 1.4 – 5.8º C Proliferación del uso de combustibles fósiles - petróleo, carbón y gas natural Fuente: Ⓒ Mitsubishi Corporation 2
  • 3. 12/6/2010 140 130 Junio 2008: El precio superó los US$130 por barril Julio 2008: El precio superó los US$ 140 por barrilEl 4 de enero del 2010 el precio fue de US$ 81.68 por barril La creciente presión de los biocombustibles resultante del cambio climático Bioetanol: En 2007, 13.000 millones de galones en 162 plantas, Biodiesel: En 2007, 7% de la gasolina. 2.000 millones de EEUU en 2008 utilizó el ili ó l galones. La U. Europea 29% del área de maíz en 2015 absorbería 62% de sus cosechas de oleaginosas 3
  • 4. 12/6/2010Industria Biotecnológica: Progreso y Promesa • La Biotecnología será uno de los motores clave en USD 158,000 M l próximos años los ó i ñ USD 549,000 M • En el 2010, el mercado de químicos será afectado USD 21,200 M USD 2,000 M por la biotecnología con un valor total de ~USD 158,000 millones • A mitad del presente siglo la totalidad de químicos será producida por 1999 2005 2010 2025 biotecnología OECD, Bioeconomy to 2030, p. 121 Una economía basada en la biotecnología que usa materias primas renovables, p particularmente biomasa y recursos genéticos para producir alimentos, productos industriales y energía al menor costo ambiental. Implica el cambio de la unidad de comercio: de la molécula de hidrocarburo a la molécula de ADN Es decir: Del petróleo a los genes M. Gutiérrez-Correa, Perú Económico, Enero 2007, p. 27. 4
  • 5. 12/6/2010 Costos reducidos, mejor control de las propiedades Económicos del p producto Nuevos productos y oportunidades de mercado Ambientales SocialesPrevención de la polución, Miniaturización y emisiones reducidas de gases y modularidad tóxicos Diversificación y crecimientoCombustibles, químicos y de la economía rural materiales ‘Verdes’Productos reusables y reciclables Potencial económico de la biodiversidad génica en el Perú Organismos Número de Número total de VDP** VDC** especies genes US$ Billones US$ endémicas* dé i * endémicos dé i Billones/año disponibles*Animales 771 0.13 x 108 3.9 390Plantas 5,530 2.70 x 108 81.0 8,100 TOTAL 6,301 6 301 2 83 x 108 2.83 84.9 84 9 8,490 8 490 *Datos genómicos tomados de la ref. 1 **VDP = Valor dinámico potencial (0.01% de los genes); VDC = valor dinámico comercial GUTIERREZ-CORREA, Marcel. 2009. El Valor de los Genes: Una Visión Preliminar. Bios 2(3), 4-7. 5
  • 6. 12/6/2010 La biomasa es una materia prima energéticamente más eficienteEntalpía CxHy CxHy CxHyOz Grasas y aceites Nafta CxHyN 45 GJ/ton CxHzOyN Sv Proteínas y aminoácidos 20-30 GJ/ton CxHyO CxHyOz(OCHz)v Lignina CxHyOz Carbohidratos Productos Enfoque químicos Enfoque de Petroquímico Biorefinería Adapatado de:S cott et al. Appl Microbiol Biotechnol (2007) 75:751–762 Herramientas biotecnológicas en los Bioprocesos 6
  • 7. 12/6/2010Biochip de DNA PCR Lab-on-a-chip (eSensorTM) Microbiorreactor sumergido Lipasa inmovilizada en (18 ml) de tanque agitado nanopartículas de Fe3O4 Buenas prácticas agrícolas (Fijación Biol. N2, Labranza cero, biochar, etc) mbustibles y bioproductos Biorefinerías Agrorefinerías limentos Biomasa vegetal Cultivos y biomasa Sistemas enzimáticos Factorías celularesCom Al Suelo S l Nutrientes reciclados Pérdida de Nutrientes Fertilizante Pesticidas (minimizar) (optimizar) (minimizar) M. Gutiérrez-Correa. Rev. Agronegocios, 2009 7
  • 8. 12/6/2010Ecotipos EXPORTACION Digitalización Enzimas de DNA Fructo- Fructo- YACON Ind. Alim. oligosacáridos Mejoramiento Genético Enzimas Fructosa Edulcorantes Conservación Biomasaex situ e in situ residual YACON CON NUEVOS FRUCTANOS – reducción de azúcares Alimentos Combustibles Plásticos (Bio)químicos Biomateriales Materia prima agrícola convencional Biomasa 8
  • 9. 12/6/2010 Enzima nativa 1.0 0.9 0.8 0.7 Actividad Específica 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 35 40 45 50 55 60 65 70 75 ºC Conjunto deConjunto de secuencias nuevasseleccionadas procedentes Reensamblaje secuenciasde fuentes nativas y recombinativo (shuffling) seleccionadasmutantes Tamizado 1.0 0.9 0.8 0.7 Actividad Específica 0.6 0.5 0.4 Expresión Transformación 0.3 Evaluación Clonación 0.2 0.1 0.0 35 40 45 50 55 60 65 70 75 ºC Enzima evolucionada Recolección de datos Secuencia genómica Análisis funcional de ORFs desconocidas Genómica funcional Transcriptoma Proteoma Metaboloma Flujoma •Expresión diferencial de genes •Niveles de proteína • Parámetros cinéticos • Análisis de •Regulación global de genes •Interacciones proteicas • Modelamiento de flujos •Estructura/función vías metabólicas metabólicos Bioinformática •Estadística •Análisis de bases de datos •Reconocimiento de patrones Reconocimiento •Simulaciones de célula completa Aplicaciones •Ingeniería metabólica •Nuevas drogas y sitios de acción •Optimización de bioprocesos 9
  • 10. 12/6/2010 Concepto de una Factoría Celular GUTIERREZ-CORREA, Marcel. 2008. Bioeconomía (Primera Parte). Revista Agronegocios 2(3), 14 – 17. Utilización de la genómica funcional en la optimización de bioprocesosQresp Flujoma + NADPH,H 2 Glucosa CO2 ATP Glucosa6-P%pO2 Pentose P ATP + Fructosa-PNADH,H ATP TriosaP GlicerolP glicerol Sedoheptulosa7 PpH + NADH,H ATP + NADH,H H 02 + 4+H Glicerato3P Gli t 3P NAD Eritrosa-4P 1/2 O2 FADH2 H 02 + 2+H PEP Tiempos ATP FAD 1/2 O 2 3H + Piruvato ATP HS-CoA NADH,H+ CO2 + CO2 NADPH,H ATP CO2 CO2 Acetil CoA Acetato HS-CoA ATP OAA + NADPH,HATP Citrato Malate + ANABOLISMO NADH,H Expresión de genes Fumarato + IsoCitrato CO NADH,H 2 (Transcriptoma) FadH2 Succinato SH-CoA CO2 + NADPH,H aKglu Suc-CoA GTP CO2 SH-CoA + NADH,H Expresión de proteínas (Proteoma) S n × Vn = b Incremento del rendimiento, rendimiento, concentración y Expresión metabólica (Metaboloma) productividad Metabolito 10
  • 11. 12/6/2010 “Comóditis” a partir de Materiales AgrícolasEtanol Residuos AgrícolasAcido Cítrico AlmidónAcido Láctico CelulosaAcido Glucónico HemicelulosaAcido Acético Sacarificación Enzimática PretratamientoAcetona Azúcares EnzimáticoButanol Sacarificación Conversiones MicrobianasAntibióticosCarotenoides Acido Etanol ButilenglicolEnzimas FumáricoPolisacáridos Calor Deshidratación QuímicaVitaminas Anhidrido Etileno ButadienoAminoácidos MaléicoProteínaUnicelular Plásticos, Fibras, Jebes, Resinas, etc.BiopesticidasBiosurfactantes Estados en la conversión de biomasa a etanol Azúcares (caña, Almidones Lignocelulosa remolacha) (cereales, (madera, residuos tubérculos, raíces) agroindustriales) Extracción de Hidrólisis Pretratamiento e jugo enzimática hidrólisis Estado I: FERMENTACIÓN Conversión de los azúcares a etanol Estado II: RECUPERACIÓN DEL ETANOL Destilación Deshidratación ETANOL ANHIDRO 11
  • 12. 12/6/2010M. Gutiérrez-Correa.BIOTECNOLOGIA,BIODIVERSIDAD YBIOECONOMIA ENEL PERÚ. 2006 Comparación de la producción de etanol entre la caña y el maíz Estado de la Producción Caña de Maíz Azucar Rendimiento del cultivo (T ha-1) 1 80-100 80 100 12 Rendimiento de etanol max (L ha-1) 9000 4400 Rendimiento de etanol prom (L ha-1) 7750 2750 Eficiencia promedio de Ferment.* (%) 92 89 Tiempo típico de fermentación (h) 6-10 40 Bagazo seco producido (T ha-1) 26.4 6.6 Azúcares fermentables en bagazo (T ha-1)** ) 21.0 21 0 4.8 48 Rendimiento de etanol de bagazo (L ha-1) 13,200 3,080 Eficiencia promedio de ferment.* (%) 95 95 *Basado en una producción teórica máxima de 511 g Etanol (Kg glucosa)-1 **Considerando 72 % de carbohidratos (celulosa y hemicelulosa) 12
  • 13. 12/6/2010 Hidrólisis Enzimática de la Celulosa Regiones Regiones Cristalinas Amorfas Celulosa Endo-β-glucanasa Celobiohidrolasa EG/CBH β-glucosidasa n Glucosa Biomasa celulósica Bordes del proceso Liberación de azúcares y exposición de la biomasa a las enzimas Pretratamiento Calor y Formar enzima, electricidad Pasos Biológicos: romper la celulosa a Producción de celulasas glucosa y fermentar los azúcares hidrólisis fermentaciónElectricidad Servicios Recuperación de Etanol Etanoexportada l Procesam. de residuos Efluentes 13
  • 14. 12/6/2010 Factoría Celular para etanol celulósico Lignocelulasas Glucosa Pentosas Xilosa Glucosa Vía de la pentosa ATP introducida de Xilosa ADP Escherichia coli isomerasa Glucosa-6-P Xilulosa Gluconolactona-6-P Xilulosa 6-P-Gluconato Quinasa ATP 2-Ceto-3-deoxi-6-P-gluconato ADP Xil-5-P Ribl-5-P Ribosa-5-P Gliceraldehído-3-P Transcetolasa 1,3-P-Glicerato ATP ADP Sedoheptul-7-P Gliceraldehído-3-P 3-P-Glicerato Transaldolasa 2-P-Glicerato Frut-6-P ADP ATP Frut-6-P Fosfoenolpiruvato Piruvato Erit-4-P Glicerald-3-P Vía Entner-Doudoroff de Trancetolasa Zimomonas mobilis ETANOL Sacarificación y Fermentación• Hidrólisis enzimática de celulose a Rendimientos: glucosa Glucosa a Etanol 92%• Fermentación de azúcares a etanol por Xilosa a Etanol 85% Z. mobilis Arabinosa to Etanol 85%• Tiempo de residencia de 2 días a 37ºC Pérdida por Contaminación 5% y 20% de sólidos 14
  • 15. 12/6/2010 Biodiesel contaminante Triglicéridos Metil-ésteres + Biodiesel Biocombustible Petróleo Metanol NaOH/KaOH Glicerol contaminante Triglicéridos Metil-ésteres + Biodiesel BiocombustiblePetróleo Metanol Lipasas Glicerol 1,3 Propanodiol; Dihidroxiacetona; Ac. Succínico; Ac. Propiónico; Ac. Cítrico; Etanol; Astaxantina; Polihidroxi alcanoato; Microdiesel Biocombustible Factoría Celular para biodieselLignocelulasas PentosaGlucosa Zymomonas mobilis KDPG ETANOL O = Acinetobacter baylyi CH3CH2OCR Ac. GRASOS Wax ESTER SINTASA 15
  • 16. 12/6/2010 Factoría celular de Synechococcus elongatus para biocombustibleS. elongatus rbcLS Bacillus subtilis . Escherichia coli Lactococcus lactis Isobutiraldehído Isobutanol Levadura Recuperación (Alcali) Celulasa o Agua Alcohol Enzimas Xilanasa Bacteria Pretratamiento Sacarificación Fermentación Destilación Etanol Tanque de pasta Butanol Molienda Biomasa Plásticos Lignina DDGS Pegamentos Alimento Animal Vapor Electricidad Acido Acido Recuperación Cítrico Láctico de agua 16
  • 17. 12/6/2010 Factoría Celular para plásticos Metabolismo de E. coli (factoría)Glucosa E. coli G-3-P Pyr TCA DHAP Gly-3-P Gly 3HPA Propanodiol Vía del glicerol de Extensión metabólica levaduras de Klebsiella O O Polipropilen tereftalato [ O O ] Factoría celular para la producción de plástico poliláctico. poliláctico. Lactato Lactato Glucosa PCT O = Lactil-CoA = Biomasa Enzima O polimerizante de AL Factoría celular Láctido Poliéster Catalizador metálico Poliláctico Sustitución Poliéster Poliláctico 17
  • 18. 12/6/2010 Glucosa Piruvato LDH Lactato Acetil CoA LDH = lactato deshidrogenasa PhaA PCT = propionil-CoA transferasa PCT PhaA= β-cetotiolasa PhaB= acetoacetil-CoA reductasa Lactil Co A AcetoAcetil CoA NADPH-dependiente PhaB PhaC= PHA sintasa (R)-3-Hidroxibutiril-CoA De Pseudomonas sp. 61-3, PhaC modificada por evolución dirigidaPLA P(LA-co- P(LA-co-3HB) Industria Textil Biopelícula Celulasas xilanasas Factoría celular (produce celulasa) Optimización de procesos Genes de celulasas xilanasas Biomasa Factoría celular ETANOL (produce celulasas y etanol) 18
  • 19. 12/6/2010 19