Producción de Bioinsectisidas
a partir de Bacillus Thuringensis
INTRODUCCIÓN
Desde siempre el ser humano a tratado de forzar a la
naturaleza para que esta cubra todas sus necesidades, algunas básicas y otras
no tanto, actuando de esta forma tan característica del parecer humano se
crearon los primeros insecticidas, los cuales a la larga resultaron ser también
homicidas y por si fuese poco altamente
estables
Ya desde 1527 existía un poema sobre el gusano de la seda que
incluye un pasaje relativo a las enfermedades del insecto, a finales del siglo
pasado y a principios de este se empezaron a realizar los primeros esfuerzos
para aislar y producir toxinas tóxicas a los insectos mediante la utilización
de micro organismos, uno de los m.o. que cobro mayor importancia fue Bacillus thuringiensis el cual es un
quimioautotrofo, aerobico que oxida carbohidratos a ácidos orgánicos y suele
hallarse en los suelos ricos en materia orgánica
La importancia de los bioinsecticidas como fueron llamados no
fue notada hasta finales de los 70 cuando la crisis en el ambiente, causada por
el uso indiscriminado de compuestos químicos comenzó a hacerse evidente,
desafortunadamente en muchos países todavía no se toma conciencia de este daño
y se siguen usando sustancias tales como el DDT prohibido internacionalmente
MERCADO
De 1981 a 1982 la producción
mundial de Bacillus thuringiensis
aumento de 1.6 a 2.3 X106 kg por año, en la actualidad se producen
alrededor de 5.6 X106 Kg por año
Al analizar la distribución del mercado mundial de productos
de Bacillus thuringiensis por región
en los inicios del los años 90 se encontró que más del 50% se utilizan en EU y
Canadá como alrededor del 18% en Oriente 10% en China y 8% en Centro y
Sudamérica.
En México la producción de Bacillus thuringiensis puede ser considerada desdeñable para
compensar las necesidades del mercado se importan 30 toneladas de
bioinsecticidas anuales
Las principales empresas productoras de bioinsecticidas a
partir de Bacillus thuringiensis
están distribuidas en EU y Europa de estas multinacionales las compañías
líderes en comercialización durante 1990 fueron Abbott y Saandoz juntas
vendieron el 70% del total de productos de Bacillus
thuringiensis.
Según la empresa Abbott el
mercado crecera a un ritmo de 20 a 25% anual a nivel mundial y en E.U. el
crecimiento será del 5 al 10%
USUARIOS
Las esporas y cristales producidos por Bacillus thuringiensis se han utilizados como principio activo de
insecticidas comerciales para controlar plagas agrícolas, forestales y también
aquellas que son vectores de enfermedades en las plantas de importancia
comercial.(ver tabla 1) En Europa el uso de bioinsecticidas formulados por Bacillus thuringiensis se remonta a los
años 30 en EU se han usado ha partir de 1961 año en que se registro el primer
producto.
Tabla 1 Que muestra diferentes cultivos y plagas que pueden ser controladas utilizando esporas y cristales producidos
por Bacillus thuringiensis
|
Planta o cultivo |
Plaga de insectos |
|
Brocoli, col, coliflor,
lechuga, mostaza, espinaca y nabo verde Frijoles, melones, papas |
oruga de la col,
engarzador de la col |
|
Sandia |
Oruga peladora, diferentes
tipos de gusanos y orugas |
|
Tabaco, Algodón |
gusano del tabaco, Oruga
cornuda del tabaco, polilla del tabaco |
|
Tomate |
oruga cornuda del tomate,
de la fruta |
|
Uvas |
Doblador de la hojas de la
uva, Comedor omnívoro deshojador |
|
Alfalfa |
Oruga de la alfalfa |
|
Crisantemos |
Engarzador de la col |
|
Soya |
Gusano de la soya, Oruga
peluda del frijol, engarzador de la soya |
|
Arboles de nueces
(nogales, almendros, pinos) |
Oruga roja, gusano de la
época de lluvias, oruga tentadora |
|
Arboles ornamentales y de
sombra |
Oruga roja, polilla
gitana. oruga de primavera y de la época lluviosa, gusano de época lluviosa,
polilla del roble americano, deshojador de arboles frutales |
|
Fresas |
Enzarzador de la col |
|
Naranja |
Deshojador de los arboles
frutales, mordedor de la naranja |
En México fue hasta fines de los años 70 cuando Bacillus thuringiensis se empezó ha
usarce en los campos agrícolas, actualmente
se tiene a nuestro país principal insecto plaga es el gusano cogollero del maíz el cual es
capaz de atacar más de 100 cultivos diferentes de importancia agrícola (maíz,
frijol. jitomate, tomate, papa ,nochebuena etc) en EU y Canadá el mercado de
estos productos se concentra en cuatro áreas principales: la forestal, el
combate de moscas y mosquitos el
control de plagas vegetales y algodón y el control de alfalfa y tabaco. Los
productos en los que se esta incrementando el uso de estos productos en dicho
país son lechuga .col. hortalizas, cítricos, uvas y maíz.
PRODUCTOS COMERCIALES
Productos de Primera Generación: Son aquellos cuya
formulación incluye como ingrediente activo un conjunto de toxinas y esporas
provenientes de una cepa nativa generalmente aislada del suelo un ejemplo de
este producto es Dipel.
Productos de Segunda generación: Provenientes de una cepa en
la que previamente se introdujeron por medio de un proceso de conjugación los
plasmidos donde están contenidos los genes cry de varias cepas nativas de Bacillus thuringiensis son ejemplos de
este tipo de productos Agree producido por CIBA Geigy y Foil producidos por
Eogen.
Productos De La Tercera Generación: Contienen las bacterias
muertas de la especie de Pseudomonas fluorescens
a las que previamente le fueron clonados los genes que codifican para las
endotoxinas. La tecnología utilizada para elaborar estos productos se conoce
como cell cap ya que una vez que las células recombinantes de Pseudomonas fluorescens produce las
esporas de Bacillus thuringiensis en
forma de un cristal estas son tratadas con un solvente que las mata pero que
deja intacto su pared celular por lo que se dice que las toxinas quedan
encapsuladas.
PRESENTACIONES COMERCIALES
Se han formulado de diferente forma; como polvos humetables,
gránulos dispersables, microgranulos y líquidos emulsificables en base acuosa u
oleosa. Los productos sólidos generalmente se formulan usando como soporte
materiales inertes tales como Borosilicatos ,carbonatos ,sulfatos o fosfatos o
bien materiales biológicos como por ejemplo la raspa, la mazorca, el maíz
después del desgranada, cáscara de arroz o cáscara de nuez este tipo de
productos generalmente incluye ademas ayudantes para la dispersión, agentes
reológicos surfactantes, emulsificantes otro ingrediente común son los
fotoprotectores ya que la inactivación de las preparaciones de Bacillus thuringiensis por acción de los
rayos Uv es un problema que afecta la persistencia de estos productos y por lo
tanto su eficacia.
PARÁMETROS DE FERMENTACIÓN(4)
Existen muy pocos reportes en la literatura donde se
especifiquen los valores de las parámetros de rendimiento y crecimiento. Usando
un medio complejo a 30 °C y con melaza como fuente de carbono (Holmberg et al)
dan los siguientes parámetros para la variedad thuringiensis:
- La velocidad
especifica de crecimiento (mm) de 1.4 h-1
- El rendimiento
celular con respecto al sustrato (Yxs) es de 50 X 107 células/mg
- El rendimiento
de producto con respecto al sustrato (Yps) es de 15 g/l.
En base a estos datos
podemos obtener la productividad al multiplicar el rendimiento por la mm
Para la aereación suele
usarse inicialmente durante las primeras 3 h de la fermentación de 0.4 a 0.6 vvm,
y de 1 a 1.2 vvm en el resto de la fermentación
La máxima productividad se
presenta a un valor de pH=7 y a 30°C
DISEÑO
Nuestro objetivo es cubrir el 100% de las 30 toneladas de
bioinsecticidas que se importan anualmente en México, tomando en cuenta
vacaciones y periodos muertos pensamos que el tiempo efectivo de producción
será de 300 días al año, en base a esto se calcula la producción a cubrir por
dia:
|
Producción por Dia = |
|
Para determinar el volumen
del tanque dividimos la producción a alcanzar (4166.7g/h) entre la
productividad del micro organismo (21g/lh)
El flujo de aereación puede
calcularse multiplicando las vvm necesarias por el volumen de nuestro tanque
así:
|
Q= |
Vvm*V
= |
V aire* V tanque minuto* V tanque |
|
Q0-3= |
[0.6 l/(m*l)]*200 l=120 l/min |
Qp= |
[1.2 l/(m*l)]*200 l=240 l/min |
Durante las primeras tres
horas Q= 120 l/min durante el resto de la fermentación Q= 240 l/min
De aquí pasamos al diseño de
nuestro tanque
Como se trata de un volumen
pequeño para el diseño de nuestro tanque usaremos las siguientes relaciones
estandar (5)
V= 200 L
|
V= |
200 L |
X |
1 dm3 1 L |
X |
1 m3 103 dm3 |
= 2X10-1m3 |
En la literatura se reporta
que para un volumen de 11 L se requiere
una agitación de 700 RPM, realizando el escalamiento con p/v =constante
obtuvimos 1350 RPM (N) de agitación para nuestro tanque de 200 L
Después calculamos la
potencia:
y la potencia de aereación
durante las primeras 3hr
|
PA= |
2.39X10-3P2N(Da)3 Q0.56 |
=55Hp |
Durante el resto de la fermentación
|
PA= |
2.39X10-3P2N(Da)3 Q0.56 |
=46Hp |
BIBLIOGRAFÍA
1- Reyes Vasquez David
" Producción de Bioinsectisidas a partir de cepas nativas de Bacillus Thuringensis " Tesis UNAM
Ixtacala México 1992
2- Rowe et all "
Desarrollo de bioprocesos en la
producción de Bioinsectisidas por Bacillus
Thuringensis " Vol. 6 !997 Issue 1
3-
Sin - Zhong " Set Batch of Bacillus
Thuringensis for Thuringensin
Production in a tower type bioreactor " Departament of Chemical Enginering
National Tsing Hua University, Hsinchu 30433, Taiwan, ROC
4-
CRC Critical Reviews in Biotechnology Vol. 6 Issue I (1987)
5- Mc Cabe "Operaciones
unitarias en Ingenieria Quimica" Ed. Mc
Graw Hill 1991 México