APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS CARBOHIDRATOS

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL

CONSULTA DE BIOQUÍMICA

NOMBRE: Andrea Pardo. FECHA DE ENTREGA: 02/07/2013. NIVEL: Quinto semestre “A” TEMA: APLICACIONES AMBIENTALES DE LAS BIOMOLÉCULAS

APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS CARBOHIDRATOS BIOETANOL

El alcohol etílico o etanol es un producto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales, remolacha, caía de azúcar, sorgo o biomasa. Estos azúcares están combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Las plantas crecen gracias al proceso de fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes de la tierra forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa, que se concentra en la parte fibrosa la planta. El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales.

PROCESO DE OBTENCIÓN El bioetanol se obtiene a partir de la remolacha (u otras plantas ricas en azúcares), de cereales, de alcohol vínico o de biomasa, mediante un proceso de destilación. En España la producción industrial emplea principalmente cereal como materia prima básica, con posibilidad de utilizar los excedentes de la industria remolachera transformados en jugos azucarados de bajo costo. En general, se utilizan tres familias de productos para la obtención del alcohol: azucares, procedentes de la caña o la remolacha. Cereales, mediante la fermentación de los azúcares del almidón. a zúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa. Biomasa, por la fermentación de los azúcares El esquema general de fabricación del bioetanol (diagrama 1), muestra las siguientes fases en el proceso: Dilución: Es la adición del agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o (en última instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la levadura, usada más adelante en el proceso de fermentación, puede morir debido a una concentración demasiado grande del alcohol.   

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Conversión: La conversión es el proceso de convertir el almidón/celulosa en azúcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidón (o de la celulosa) con el ácido en un proceso de hidrólisis ácida. Fermentación: La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente. De la fermentación alcohólica se obtienen un gran número de productos, entre ellos el alcohol Destilación o Deshidratación: La destilación es la operación de separar, mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla (etanol/agua). Una forma de destilación, conocida desde la antigüedad, es la obtención de alcohol aplicando calor a una mezcla fermentada.

Los residuos de biomasa contienen mezclas complejas de carbohidratos, llamados celulosa, hemicelulosa y lignina. Para obtener los azúcares de la biomasa, ésta es tratada con ácidos o enzimas que facilitan su obtención. La celulosa y hemicelulosa son hidrolizadas por enzimas o diluidas por ácidos para obtener sacarosa, que es entonces fermentada. Los principales métodos para extraer estos azúcares son tres: la hidrólisis con ácidos concentrados, la hidrólisis con ácidos diluidos y la hidrólisis enzimática.

APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS LÍPIDOS BIODIESEL El biodiesel es un biocarburante (nombre genérico de los biocombustibles para automoción) líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soja las materias primas más utilizadas para este fin. Las propiedades del biodiesel son prácticamente las mismas que las del gasóleo de automoción en cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación superior.


Por todo ello, el biodiesel puede mezclarse con el gasóleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente. La ASTM (American Society for Testing and Material Standard) describe al biodiesel como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión. Sin embargo, los ésteres más utilizados, son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificación de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificación de los ácidos grasos) debido a su bajo coste y sus ventajas químicas y físicas. Las materias primas más comunes utilizadas en España para la fabricación de biodiesel son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol (el contenido medio del girasol en aceite es de 44% por lo que en España será la mejor opción en cuanto a agricultura energética). También se están realizando pruebas con aceite de colza y con Brassica carinata.

Aceites Convencionales

Aceites Vegetales Alternativos

Otras fuentes

Girasol

Brassica carinata

Colza

Cynara curdunculus

Aceite de semillas modificadas genéticamente Grasas animales (sebo de vaca y búfalo)

Coco

Camelina sativa

Aceites de micoralgas

Soja

Crambe abyssinica

Aceite de producciones microbianas

Palma

Pogianus

Aceites de fritura

Principales materias primas para la producción de biodiesel.

APLICACIÓN AMBIENTAL DE LAS PROTEÍNAS BIOPLÁSTICO ANTIMICROBIANO A PARTIR DE GLUTEN DE TRIGO Se han diseñado un nuevo tipo de bioplástico a partir de proteínas de gluten de trigo utilizando como agente bactericida aceite esencial de orégano. Las proteínas vegetales son materias primas baratas, renovables y abundantes, por lo que son materiales respetuosos con el medio ambiente en su producción y de fácil degradación. Los bioplásticos se han convertido en una alternativa industrial de interés no solo por su capacidad de degradación sin impacto ambiental, sino además porque en su fabricación se emplean residuos vegetales, que sustituyen a los procesados de hidrocarburos.


Estos nuevos materiales, diseñados básicamente a partir de proteínas, polisacáridos o lípidos, cuentan con unas características que los convierten en únicos al ser considerados como verdaderas lanzaderas naturales para aditivos, antioxidantes, vitaminas o sabores, lo que supone un paso al frente en aplicaciones para sectores industriales como el agroalimentario y el farmacéutico. Se han trabajado sobre dos matrices naturales: proteínas de albúmina de huevo y proteínas de gluten de trigo, a las que introdujeron ácido fórmico y aceite esencial de orégano, respectivamente. Para comprobar las propiedades de estos dos materiales inteligentes se realizaron ensayos mediante técnicas termoplásticas con la albúmina y el gluten y los dos biocidas para cepas de Aspergillus niger (hongo), Candida kefir (levadura), Bacillus cereus (bacteria gram-positiva) y Escherichia coli (bacteria gram-negativa). La incorporación de los agentes antimicrobianos se realiza en la mezcla directa de las proteínas con el plastificante. Se realizan pruebas de absorción y difusión para estudiar la influencia del procesado físico-químico y sobre la liberación controlada del aceite de orégano y en este sentido, “los bioplásticos basados en proteínas de gluten de trigo que contenían los biocidas estudia dos demostraron de forma óptima su actividad antimicrobiana”.

APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS AMINOÁCIDOS EL BALANCE DE AMINOACIDOS REDUCE EL IMPACTO AMBIENTAL DE LAS LECHERIAS Para los productores de leche y nutriólogos dispuestos a mirar sus raciones de otra manera, sumándose a la vanguardia de los cambios, el equilibrio de los aminoácidos ofrece recompensas ambientales, así como beneficios en el rendimiento del hato. Eso es porque las dietas lecheras han sido formuladas para sobre ofrecer proteínas con la esperanza de conseguir un nivel adecuado de aminoácidos limitantes. Aunque ciertamente entendible en teoría, esta practica tiene sus inconvenientes. Se trata de: 

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Caro- la proteína no es barata, especialmente cuando no siempre es plenamente utilizada por la vaca. Ineficiente- cuando las vacas están sobrealimentadas con proteína, utilizan su energía para deshacerse del exceso de nitrógeno, disminuyendo su eficiencia. Ambientalmente indeseable- el exceso de nutrientes provenientes sobrealimentación de proteínas son excretados en heces y orina.

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Para ayudar a compensar los gastos de alimentación y reducir las consecuencias ambientales, los principales productores lecheros y nutriólogos están analizando estrechamente el impacto negativo de la sobrealimentación con proteína.


Sus evaluaciones los han llevado a implementar la práctica del balance de los aminoácidos, que proporciona el perfil correcto de los aminoácidos para la vaca lechera para complementar la síntesis de proteína (aminoácidos) microbial del rumen y ofrecer los niveles óptimos de lisina y metionina en el intestino delgado. Hay dos ventajas principales en el balance de aminoácidos, explica el Dr. Cornelius de Lange, Profesor en la Universidad de Guelph en el Departamento Animal de Ciencias Avícolas con años de experiencia en equilibrar las raciones de aminoácidos en cerdos: 

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Se reduce la cantidad de proteínas en la dieta, por tanto, se reduce la excreción de nitrógeno en orina y heces y su potencial impacto negativo de la producción animal en el medio ambiente. Permite el uso mas extensivo de fuentes de proteína alternativas en las dietas, facilitando la reducción en el costo de alimentación mientras se mantiene la productividad del animal.

Las investigaciones muestran que cuando los aminoácidos disponibles comercialmente se utilizan en las dietas de porcinos, la excreción de nitrógeno se reduce aproximadamente un diez por ciento por cada punto porcentual de reducción en la proteína cruda dietética. En última instancia, las reducciones dietéticas de nitrógeno pueden cambiar las prácticas de manejo de nutrientes, como la cantidad de tierra necesaria para la aplicación de estiércol. Para el ganado lechero, una forma primaria de reducir las emisiones de amoniaco es equilibrar las raciones, pero no excederse, los requerimientos de proteína metabolizable de la vaca y los requerimientos de proteína degradable para el rumen. Se ha calculado que una disminución de una unidad de proteína cruda en la ración a un 16 por ciento, reducirá las emisiones de amoniaco en un 20 por ciento.

APLICACIÓN AMBIENTAL DE LAS ENZIMAS ENZIMAS QUE PERMITEN REDUCIR CONTAMINANTES EN JABONES El empleo de jabones y detergentes se ha venido generalizando tanto en la industria como en el ámbito doméstico. Con el crecimiento de las ciudades las descargas de aguas contaminadas a partir de los residuos de estos productos han aumentado. Frente a este problema los científicos se dedicaron a realizar estudios que les permitan disminuir los efectos nocivos que conlleva la contaminación hídrica. Las enzimas lipasas obtenidas a partir de hongos y bacterias permiten la producción de jabones y detergentes que reducen el uso de sustancias de impacto ambiental.


Los jabones y detergentes contienen compuestos químicos, con una estructura compleja y con la propiedad de disolverse fácilmente en agua; como resultado, tienen excelentes propiedades limpiadoras. Empero, estas sustancias son contaminantes y resultan de alto riesgo para el medio ambiente, pues afectan aguas de ríos, arroyos y lagos. Cada vez son más las empresas que ofrecen “ultra” jabones y detergentes para una “mejor limpieza”; pero también crece la preocupación por reducir el impacto ambiental a consecuencia de su empleo. Una respuesta a esta demanda se encuentra en las investigaciones científicas, cuyos resultados plantean que mediante el uso de enzimas como las proteasas y lipasas se pueden elaborar jabones. Las lipasas actúan sobre compuestos grasos convirtiéndolos en otros más solubles que son retirados en el proceso normal de lavado. La Agencia Universitaria de Periodismo Científico (Aupec), con sede en Colombia, informa que se han obtenido lipasas con características óptimas para este fin a partir de varios microorganismos, como algunos hongos y bacterias. Los informes más recientes refieren que las lipasas eran producidas por un tipo de bacterias presentes en los organismos vivos, pero no se había podido encontrar este microorganismo en su medio natural. Tras diversos estudios, investigadores de la Universidad Libre de Bruselas, Bélgica, encontraron microorganismos productores de lipasa y procedieron a formular un detergente. Esta bacteria perteneciente al grupo de las pseudomonas fue hallada en una muestra de suelo en Wisconsin, Estados Unidos, por lo que los investigadores la denominaron Pseudomona wisconsinensis. Este microorganismo aporta el gen que define la producción de lipasa la cual se utiliza como aditivo en los jabones, refiere la Aupec. Una vez obtenido el microorganismo, los especialistas procedieron a aislar el gen que define la producción de lipasa, clonarlo e incluirlo en los procesos industriales. Así se ensayó en la industria como un aditivo en los detergentes. Se encontró que con el uso de esta enzima se requiere menor cantidad de jabón, por lo tanto, se garantiza un menor impacto en el medio ambiente y la limpieza es más eficaz. Las enzimas usadas en los detergentes de lavado de ropa actúan sobre los materiales que forman


parte de las manchas, desintegrándola y/o desprendiéndola de la tela durante el lavado: 

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Proteasas: para la remoción de manchas de origen proteico, como las de sangre y huevo, y se obtienen de Bacillus licheniformis, B. Amyloliquefacienso Aspergillus flavus. Amilasas: para la degradación de los residuos de almidón de alimentos como papa, chocolate, etc. No son componentes esenciales de los detergentes ya que tienen una acción limitada sobre los carbohidratos y éstos son solubles en agua (por lo tanto son de fácil remoción por los lavados corrientes). Se emplean las amilasas de Bacillus licheniformis. Lipasas: para la remoción de manchas de aceites, lápiz de labios, manteca. Las lipasas más eficaces son producto de la manipulación genética, y se obtienen del hongo Aspergillus oryzae. Celulasas: producidas por hongos, sirven para remover las manchas de tierra o restos vegetales, pero sobre todo para restaurar la suavidad y el color de fibras de algodón, ya que degradan a las microfibras que endurecen la ropa y opacan los colores sin afectar las fibras principales de la ropa.

APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Una de las técnicas de la base de la biotecnología es la ingeniería genética. La tecnología del ADN recombinante permite realizar modificaciones puntuales y precisas del ADN que hace uso de la nueva tecnología, para resolver esta técnica podemos obtener plantas transgénicas para la fitorremediacion.

FITORREMEDIACIÓN Es el uso de plantas para limpiar ambientes contaminantes. Constituye una estrategia muy interesante debido a la capacidad que tiene especies vegetales de absorber y tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados y otras sustancias tóxicas.


BIBLIOGRAFÍA: 1.

Anónimo. “APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS CARBOHIDRATOS BIOETANOL”,http://www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Biocombustibles/ Bioetanol.asp, [visitada el 30-06-2013]

2. Anónimo. “APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS LÍPIDOS - BIODIESEL”, http://www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Biocombustibles/Biodiesel. asp, [visitada el 30-06-2013] 3. Anónimo. “APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS PR OTEÍNAS BIOPLÁSTICO”, http://www.agenciasinc.es/Noticias/Disenan-un-bioplasticoantimicrobiano-a-partir-de-gluten-de-trigo, [visitada el 30-06-2013] 4. Anónimo. “APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS AMINOÁCIDOS”, http://web.altagenetics.com/espanol/DairyBasics/Details/1670_El-balance-deaminoacidos-reduce-el-impacto-ambiental-de-las-lecherias.html, [visitada el 3006-2013] 5. Anónimo. “APLICACIÓN AMBIENTAL DE LAS ENZIMAS - JABONES”, http://www.argenbio.org/index.php?action=novedades¬e=240, [visitada el 30-06-2013] 6. Anónimo. “APLICACIÓN AMBIENTAL DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS”, http://es.scribd.com/doc/95459922/APLICACION-AMBIENTAL-DE-LOSACIDOS-NUCLEICOS#download, [visitada el 30-06-2013]

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