PROGRAMA ANALITICO DE LA ASIGNATURA

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1 PROGRAMA ANALITICO DE LA ASIGNATURA

2 IAL 225- BIOTECNOLOGIA DE ALIMENTOS PROGRAMA ANALÍTICO DE LA ASIGNATURA BIOTECNOLOGIA DE ALIMENTOS (IAL 225) IDENTIFICACIÓN: NOMBRE DE LA ASIGNATURA Biotecnología de Alimentos CODIGO IAL 225 PRE-REQ. IAL 145 TOXI E INOC NOMBRE PROFESOR DEL Ing. Jorge Antequera Aragón Programa vigente desde 2004 JUSTIFICACIÓN HTS 3 HPS 3 THM 6 CRED. 4 SEMESTRE 6 to El objetivo del espacio curricular Biotecnología de Alimentos es proporcionar los conocimientos biológicos básicos de los sistemas presentes en los procesos microbianos junto con una apreciación de los problemas técnicos frecuentes en las bioindustrias. La asignatura se ubica en el sexto semestre de la carrera de Ingeniería de Alimentos y se define a la Biotecnología como el uso integrado de la Ingeniería, la Bioquímica y la Microbiología para conseguir la aplicación industrial de las capacidades de los microorganismos y sus partículas subcelulares. La biotecnología es por naturaleza multidisciplinaria, es una ciencia aplicada, la cual requiere amplias aportaciones de las ciencias biológicas y la ingeniería. Los conocimientos previos según el plan de estudio de la carrera de Ingeniería de Alimentos son las Ciencias Biológicas como la Biología Celular, Química Orgánica, Química de los Alimentos, Bioquímica de Alimentos y Microbiología de Alimentos. OBJETIVOS Al finalizar el curso el estudiante será capaz de valorar industrialmente las potencialidades de los microorganismos, así como las fracciones subcelulares para el desarrollo de las bioindustrias, aplicando la ingeniería a las ciencias biológicas. CONTENIDO GENERAL El estudio de la biotecnología se inicia con el análisis de las ventajas, el desarrollo y la aplicación de la biotecnología que provoca cambios profundos en las esferas económicas y sociales. Las bioindustrias actuales se caracterizan por el uso de cepas genéticamente modificadas obtenidas por la ingeniería genética. El crecimiento microbiano y la producción de metabolitos primarios requiere de un balance químico y energético adecuado y un control de los factores que afectan la rapidez de crecimiento en los diferentes sistemas de cultivo desarrollado industrialmente (cultivo batch, cultivo batch alimentado y cultivo continuo). Para optimizar la producción de un metabolito se requiere controlar las condiciones operatorias y la capacidad de

3 oxigenación de los diferentes tipos de biorreactores. Todo proceso biotecnológico requiere el uso de técnicas clásicas y no convencionales para la concentración, separación y purificación de los metabolitos. Una aplicación eficiente de la biotecnología es el uso de células y enzimas inmovilizadas en reactores continuos. Finalmente aplicamos los sistemas biológicos en la producción de metabolitos de interés industrial (lodos activos, levaduras, cerveza, vino, alcohol industrial, cultivos lácteos y cárnicos) CONTENIDO TEMATICO UNIDAD 1 INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA OBJETIVOS Instructivos: Interpretar el concepto de la biotecnología como ciencia aplicada y su repercusión en el sector agroalimentario. Actividad y capacidad para el aprendizaje continuo a lo largo de la vida. CONTENIDO 1. GENERALIDADES 1.1. Definición de la biotecnología 1.2. Ventajas de la biotecnología 1.3. Desarrollo de la biotecnología La era anterior a Pasteour La era Pasteour La era de los antibióticos La era post antibióticos La nueva biotecnología 1.4. Aplicación de la biotecnología Sector agroalimentario Sector agroquímico Sector químico Sector farmacéutico UNIDAD 2 MEJORAMIENTO DE CEPAS INDUSTRIALES OBJETIVOS Instructivos: Conocer técnicas de la ingeniería genética que permitan seleccionar y mejorar los microorganismos industriales. Habilidad y actitud investigativa. CONTENIDO 2.1. Introducción 2.2. La división celular Mitosis Meiosis 2.3. Genética Mendeliana

4 Genes ligados y recombinación Variación continua 2.4. Recombinación y mapeo en los procariotas 2.5. Mutagénesis 2.6. Reproducción sexual y parasexual 2.7. Fusión de protoplastos 2.8. Tecnología del DNA recombinante Tratamiento de desechos Manipulación de vías enzimáticas Ingeniería de proteínas Extrapolación de organismos obtenidos por ingeniería genética UNIDAD 3 CINÉTICA MICROBIANA Instructivos: Explicar los mecanismos metabólicos de los carbohidratos, de la capacidad de secreción de metabolitos por los microorganismos, mediante el estudio de sus aptitudes fisiológicas y tecnológicas para su utilización industrial. Capacidad de combinar, adaptar y planear soluciones prácticas a problemas de la cinética microbiana Estequiometría y energía bacteriana Ecuación estequiométrica Fórmula empírica de células microbianas Reparto del sustrato y rendimiento Reacciones de energía Reacciones globales de crecimiento biológico Crecimiento bacteriano y energía Coeficiente de rendimiento y energía de reacción 3.2. Crecimiento en cultivos por lotes Curvas de crecimiento en cultivos por lotes Tiempo de duplicación celular Factores que afectan la rapidez de crecimiento Efecto de la Concentración de sustrato sobre la velocidad de crecimiento Efecto de la temperatura Efecto del PH Efecto de la Concentración alta de sustrato o de producto Consumo de nutrientes y formación de productos Rendimiento de biomasa y de productos Estimación teórica del rendimiento: electrones disponibles 3.3. Sistema de cultivos y aspectos generales de birreactores Balance de masa para cultivo batch Balance de masa para cultivo batch alimentado Balance de masa para cultivo continuo Teoría del quimiostato

5 Relación entre la rapidez de dilución la concentración celular Relación entre la rapidez de dilución y la concentración del sustrato Ecuaciones fundamentales del cultivo continuo Rapidez crítica de dilución Productividad Determinación de las constantes cinéticas y de rendimiento Ventajas del cultivo continuo comparado con el cultivo en lotes Preparación y esterilización de medios de cultivos Diseño de medios de cultivo Fuente de carbono Medios industriales Fuente de nitrógeno Otros elementos Métodos de esterilización UNIDAD 4 BIORREACTORES Instructivos: Determinar las condiciones operativas y la capacidad de oxigenación de un biorreactor a través de la automatización que permita controlar y regular los valores óptimos de los fenómenos esencialmente dinámicos, para optimizar la producción de un metabolito específico. Capacidad de análisis, síntesis, planeación, organización y toma de decisiones Introducción 4.2. El fermentador 4.3. La transferencia gas líquido 4.4. Agitación mecánica y aeración de un fermentador Agitación Configuración estándar de un sistema de agitación Hidrodinámica de la agitación Cálculo de la potencia de agitación 4.5. Cálculo del K l*a Principio del Dinamic Gassing Out Principio basado en el balance gaseoso Principio del método químico 4.6. Diferentes tipos de biorreactores 4.7. Aumento de escala UNIDAD 5 PROCESOS DE RECUPERACIÓN DE METABOLITOS Instructivos: Utilizar técnicas clásicas de la Ingeniería y técnicas no convencionales a nivel preparativo e industrial con la finalidad de concentrar y purificar los productos

6 de fermentación investigados, minimizando la inversión, el tiempo de residencia del producto y los costos energéticos. Capacidad de análisis, síntesis, planeación, organización y toma de decisiones Introducción 5.2. Separación sólido-líquido: centrifugación, filtración, microfiltración 5.3. Rompimiento celular: Técnicas 5.4. Precipitación de proteínas y concentración de proteínas: sales, solventes orgánicos, punto isoeléctrico, polielectrolitos. Ultrafiltración, osmosis inversa 5.5. Cromatografía: intercambio iónico, filtración en gel, interacción hidrofóbica, afinidad 5.6. Electroforesis y electrofocalización UNIDAD 6 CÉLULAS Y ENZIMAS INMOVILIZADAS Instructivos: Aplicar las técnicas de inmovilización de enzimas y células con el propósito de permitir su reutilización y establecer un proceso continuo con el que se logra mejor eficiencia del reactor. Capacidad de combinar, adaptar soluciones prácticas a problemas complejos Inmovilización de enzimas Unión covalente a soportes sólidos Adsorción en soportes sólidos Captura en una red tridimensional de polímeros Microencapsulación 6.2. Propiedades de las enzimas inmovilizadas 6.3. Células inmovilizadas 6.4. Métodos de inmovilización celular Inmovilización sin soporte Unión covalente Adsorción Captura Membranas semipermeables 6.5. Características de las células inmovilizadas 6.6. Aplicación de las enzimas y las células inmovilizadas UNIDAD 7 USO INDUSTRIAL DE MICROORGANISMOS Instructivos: Aplicar los sistemas biológicos en biomasa para la producción de metabolitos de interés industrial en el área de alimentos.

7 Iniciativa, espíritu empresarial, capacidad de emprendimiento, liderazgo y actitud triunfadora para desarrollar acciones Uso de microorganismos en la transformación y conservación de alimentos: producción de bebidas alcohólicas y productos fermentados, producción de proteína unicelular, producción de ácidos orgánicos, producción de starters para la industria láctea y cárnica, producción de vitaminas y aminoácidos, producción de biopolímeros y lodos activos en el tratamiento biológico de efluentes. PRÁCTICAS DE LABORATORIO - Curvas de crecimiento microbiano, caso levaduras (Saccharomices sp). Expresiones cinéticas. - Curvas de crecimiento microbiano, caso bacterias (Lactobacillus sp). Expresiones cinéticas - Fermentaciones Fed Batch. Producción de starters - Transferencia de oxígeno en reactores. Determinación del k l*a - Producción de metabolitos. Ácidos orgánicos y/o enzimas. Expresiones cinéticas - Inmovilización de levaduras en soporte sólido - Extracción y Purificación de metabolitos producidos por fermentación. CRONOGRAMA UNIDAD TEMÁTICA HORAS (H) I 6 II 6 III 6 IV 6 V 6 VI 6 VII 10 METODOLOGÍA El desarrollo del curso abarca cinco situaciones de enseñanza aprendizaje diferentes: Seminario, talleres, laboratorios planificados y libres, trabajos de investigación y visitas industriales. Los seminarios tienen una frecuencia semanal y están a cargo del profesor. Contempla dos actividades distintas, una exposición sistemática de los fundamentos conceptuales de la materia y una discusión crítica de una aplicación del tema expuesto a un problema real. Los talleres tienen una frecuencia semanal y están a cargo del auxiliar de docencia. La actividad se orienta a la resolución de problemas específicos siguiendo los lineamientos de la guía de trabajos prácticos.

8 Las prácticas de laboratorios planificados y libres tiene por objetivo el acceso efectivo a la experimentación en laboratorios para conocer los fenómenos de la ciencia, la ingeniería y la tecnología de alimentos. Los trabajos de investigación realizados en grupos de no más de tres alumnos, donde se planifica, ejecuta y presenta (oral y por escrito) un trabajo de investigación orientado a la aplicación de la biotecnología a un problema o situación específica definida y elegida por cada grupo. Esto les da la oportunidad de profundizar distintos temas o incorporar nuevas estrategias de análisis. Las visitas industriales se realizarán en las diferentes industrias biotecnológicas de nuestro medio, dirigidas a fortalecer las competencias tecnológicas y preparar al alumno en su integración al campo profesional de forma paulatina y asistida por el docente. El curso se basa en el desarrollo de clases teóricas expositivas (seminario) y sesiones de prácticas (talleres y laboratorios planificados libres) sobre temas generales y específicos de la biotecnología. En todas las instancias de enseñanza aprendizaje, se busca desarrollar métodos interactivos entre docente y alumnos (y alumnos entre sí) de modo de incentivar la reflexión, el pensamiento crítico, la participación y la síntesis. Esto se logra, a través de la discusión de los conceptos, de las técnicas aplicables a diferentes procesos biotecnológicos y de las lecturas de trabajos científicos. Por otra parte la actividad del trabajo de investigación permite ejercitarse en la actividad profesional, durante la realización de un proyecto y desarrollar habilidades para la comunicación oral y escrita a través de la exigencia de informes técnicos y exposiciones de los trabajos de investigación El equipamiento didáctico de las aulas de laboratorio de la carrera de ingeniería de alimentos están acordes con las metodologías de la enseñanza que se implementa. Los recursos para el aprendizaje en las clases magistrales que se llevará a cabo en el aula son los recursos docentes clásicos que se utilizan: pizarra, proyección de transparencias y presentación en multimedia. Las clases prácticas se realizarán en el laboratorio de Ingeniería de Alimentos utilizando los diferentes instrumentos y equipos disponibles. Se utilizará como material de apoyo un texto guía elaborado por el docente y una guía de prácticas de laboratorio; así como una página web que permite poner información a disposición del alumno. También se hará uso de los recursos bibliográficos que dispone la Universidad Autónoma Gabriel René Moreno. EVALUACIÓN La evaluación de los alumnos debe ser congruente con los objetivos y metodologías de enseñanzas previamente establecidas. Las evaluaciones deben contemplar de manera integrada la adquisición de conocimientos, la formación de actitudes, el desarrollo de la capacidad de análisis, habilidades para econtrar la información y resoler problemas reales. La evaluación que se realizará a lo largo del periodo constará de evaluaciones continuas, parciales y finales. Debe existir documentación que permita evaluar la

9 calidad del trabajo de los estudiantes. Esta documentación incluye exámenes, trabajos prácticos, informes sobre experiencias de laboratorio y proyectos desarrollados La evaluación final se hará después de haber concluido el programa y abarcará la totalidad del contenido de la materia. Normas de calificación Para tener derecho a examen final, es necesario contar con una asistencia mínima del 65 % de las clases teóricas y 100 % de las clases prácticas. Evaluaciones parciales (Comprende 2 exámenes parciales e incluye lo registrado en la evaluación continua: 50% Control de prácticas de laboratorio planificados y libres, talleres, trabajos de investigación y visitas industriales 20% Examen final 30% BIBLIOGRAFÍA ALEIXANDRE, J. (1999): Vinos y bebidas alcohólicas. Editorial Universidad Politécnica de Valencia, Valencia España. DORAN, P. (1998): Principios de Ingeniería de los Bioprocesos. Editorial Acribia, Zaragoza España. HOUGH, J. (1990): Biotecnología de la Cerveza y de la Malta. Editorial Acribia, Zaragoza España. MCNEIL, B.; HARVEY, L. (1990): Fermentation. Editorial IRL Press, Oxford EEUU. SNARY, J. (1990) Microbiología Enológica: Fundamentos de vinificación. Editorial Mundi Prensa, España. USSEGLIO TOMASSET, L. (1998): Química Enológica. Editorial Mundi Prensa, España. VARNAM, A.; SUTHERLAND, J. (1997): Bebidas: Tecnología, Química y Microbiología. Editorial Acribia, Zaragoza España. WARD, O. (1991): Biotecnología de la Fermentación. Editorial Acribia, Zaragoza España.