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BIOLOGÍA UPC Online

Bienvenidos al curso de Biología.

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En este material revisaremos los temas:

Biotecnología, Bioprocesos, Biorremediación, Biolixiviación

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Antes de empezar, mira el video, en especial desde el segundo 0:28 al 4:29 y reflexiona:

¿Con qué disciplinas científicas o ciencias relacionas a la biotecnología?

¿Qué productos desarrollados por procesos biotecnológicos has usado?

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La biotecnología no es, en sí misma, una ciencia; es un enfoque multidisciplinario queinvolucra varias disciplinas y ciencias (biología, bioquímica, genética, virología, agronomía,ingeniería, química, medicina y veterinaria entre otras).

Hay muchas definiciones para describir la biotecnología. En términos generales,biotecnología es el uso de organismos vivos o de compuestos obtenidos de organismos vivospara obtener productos de valor para el hombre.

Como tal, la biotecnología ha sido utilizada por el hombre desde los comienzos de lahistoria en actividades tales como la preparación del pan y de bebidas alcohólicas o elmejoramiento de cultivos y de animales domésticos. Históricamente, biotecnologíaimplicaba el uso de organismos para realizar una tarea o función.

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Desde hace miles de años, la humanidad ha venido realizando biotecnología de un modoempírico, que recién en la época moderna adquiere una base científica.

Ejemplos:

• Domesticación de plantas y animales desde el Neolítico (7000 – 3000 a.C.)

• Fabricación de pan a partir del trigo por los egipcios (4000 a.C.)

• Elaboración de cerveza en Sumeria y Babilonia (6000 años a.C.)

• Conservación de la papa por los Incas (1200‐1535) mediante liofilización (chuño) y de lacarne mediante el salado o charque (así mantuvieron unos 10‐30 millones de habitantesperfectamente vestidos y alimentados).

• Otros procesos biotecnológicos conocidos de modo empírico desde la antigüedad:cultivo de champiñones, fabricación de queso, alimentos y bebidas fermentadas noalcohólicas (salsa de soja, yogur, etc.), tratamiento de aguas residuales.

Con la biología moderna (siglo XIX), la base de muchos procesos se empezó a conocer; enel siglo XVIII se acepta que la materia viva puede ser estudiada como la materia inanimada(método experimental), se inicia el lento declive de las ideas vitalistas (creencias erróneasde que "la vida depende de un principio vital irreducible a otras ramas de la ciencia").

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• Louis Pasteur, en sus estudios realizados entre 1857 y 1876, demuestra el rol de losmicroorganismos en procesos de fermentación y putrefacción (conservación de alimentos).Así a finales del siglo XIX se fabricaba industrialmente etanol, ácido acético, butanol yacetona, mediante fermentaciones al aire libre en condiciones no estériles.

• Finales del siglo XIX, la "edad de oro de la bacteriología" las mejoras en microscopia, y laaplicación de técnicas asépticas, la esterilización y la pasteurización, permitió no sóloobtener alimentos con baja o nula presencia microbiana, sino la posibilidad de cultivar cadacepa microbiana sin mezclas con otras: cultivos puros en medios de cultivo de laboratorio.

• Comienzos del siglo XX: se establecen las bases enzimáticas y metabólicas de la fisiologíacelular y por lo tanto de muchos procesos de fermentación. Se desarrollan procedimientosindustriales (bioreactores) para producir enzimas (invertasa, proteasas, amilasas, etc.). Másadelante, años 70, estos procesos mejoran mediante la inmovilización de células y enzimasen soportes, y con la fermentación continua para obtener proteína de células sencillas(biomasa microbiana).

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• Desde la década de 1940, las técnicas de ingeniería química, aliadas a la microbiología y ala bioquímica, permiten la producción de antibióticos, ácidos orgánicos, esteroides,polisacáridos y vacunas.

• La penicilina comenzó a fabricarse en plena II Guerra Mundial, como resultado deavances importantes en técnicas de esterilización a gran escala, mejora de las instalacionesde fermentación (incluyendo la cuestión de la aireación), cultivo del hongo, etc. Se diseñanestrategias para mejorar genéticamente las cepas microbianas industriales.

• Las décadas siguientes fueron de eclosión de producción de antibióticos así como detransformaciones de esteroides y de cultivo de células animales para la producción devacunas antivirales. En los años 60 ‐ 70 se mejoran los procesos de obtención de pequeñosmetabolitos como nucleósidos, aminoácidos y vitaminas. Incluso ciertos polímerosmicrobianos (xantanos y dextranos) se obtuvieron industrialmente, con aplicaciones en elcampo de la alimentación (como aditivos).

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• Avanzado el siglo XX, las posibilidades para actuar sobre la selección genética eranlimitadas: cruces entre plantas y animales de la misma especie (o de especies similares),selección de los individuos con rasgos deseados. Recién en la década de los 70 se consolidaun conjunto de técnicas de laboratorio revolucionarias que por primera vez permiten"manipular" de modo racional el núcleo informativo vital. Son técnicas y herramientas conlas que se puede modificar el ADN de acuerdo a diseños previos y objetivos concretos (deahí el nombre popular de Ingeniería Genética).

• La Ingeniería Genética (I.G.), mejor llamada tecnología del ADN recombinante in vitro, secaracteriza por su capacidad de cortar y empalmar genes o fragmentos de ADN deorganismos distintos, creando nuevas combinaciones no existentes en la Naturaleza,combinaciones que ponemos a trabajar en el interior de una variedad de organismoshospederos, para nuestro provecho.

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Áreas de acción de la biotecnología

• Medicina

• Ingenieria genética

• Bioremediación

• Industria farmaceutica y alimentos

• Producción de microorganismos

• Agropecuaria

• Bioética

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La unidad básica de un sistema biotecnológico, tiene tres componentes: los bioreactores,los distintos tipos de sustratos y los agentes biológicos, ya sean microorganismos omaterial biológico, como proteínas, enzimas, entre otros.

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Biorreactores

En el caso de los biorreactores, estos tienen una serie de variables dependiendo del tipo deproceso biotecnológico. Generalmente, los biorreactores a nivel laboratorio, presentantodas las condiciones para realizar, por ejemplo una fermentación o un cultivo demicroalgas, de tal manera que con los datos o resultados recogidos de los agentesbiológicos se pueda escalar a nivel piloto primero y luego a escala industrial.

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Sustratos

En el caso de los sustratos, estos cumplen la función de ser la fuente de nutrientes oenergía. Generalmente, los sustratos contienen ricas fuentes de carbohidratos y sunaturaleza y disponibilidad se da bajo la forma de subproductos industriales, como porejemplo: el suero de leche, el licor de maíz, los residuos lignocelulósicos, restos de materiaorgánica, melazas, entre otros.

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Agentes Biológicos

Finalmente, los agentes biológicos, si son microorganismos, es preferible que seanhomofermentativos, es decir que produzcan un solo tipo de sustancia. Por ejemplo laslevaduras producen etanol o las bacterias lácticas que producen ácido láctico. Es muyimportante que estos microorganismos no sean patógenos.

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Recipientes en los cuales se llevan a cabo reacciones bioquímicas y/o bioprocesos, ya seacon enzimas, microorganismos o con células vegetales y animales, viables y no viables.

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En la diapositiva se muestran 4 tipos de bioreactores. 1 y 2 son bioreactores a nivellaboratorio, con volúmenes de trabajo de 2 a 4 litros. En el caso del bioreactor 1, éstepuede ser usado para diversos procesos fermentativos, a través del recipiente de vidrio sepuede observar un eje metálico, el cual termina en una especie de hélice, (se observamejor en la imagen central). Este mecanismo, sirve como agitador, cuya función eshomogeneizar el medio y mantener las partículas en suspensión. La tapa metálica contienediversas aberturas y conexiones por donde se puede suministrar oxígeno, medir el pH,tomar las muestras y van a asociadas a mangueras alimentadoras.

El bioreactor 2 se utiliza para el cultivo de microorganismos, en este caso, microalgas, elprincipio de funcionamiento es el mismo que el del bioreactor 1.

El bioreactor 3 es un bioreactor a escala piloto, de 5 a 40 litros, aquí se trabaja convolúmenes mayores, y los ensayos son mas cercanos a la realidad industrial.

Finalmente el bioreactor, número 4, es un diseño a nivel industrial y maneja volúmenespromedio de entre 250 litros a 500 litros.

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Pueden ser muy variadas; en su mayoría materias naturales biodegradables. Empleandosubproductos de otras empresas, el proceso se abarata y se mitigan problemasambientales:

• Desechos ricos en carbohidratos como melazas procedentes del procesamiento de cañade azúcar y remolacha azucarera.

• Desechos ricos en almidón: de granos como el maíz, de tubérculos como la tapioca o lapapa. El almidón debe ser degradado (monosacáridos u oligosacáridos) antes de lafermentación industrial. Ya se cuenta con ciertos procesos biotecnológicos competitivos,como la producción de jarabes ricos en glucosa o fructosa, usados como endulzantes enalimentos y bebidas.

• Desechos agrícolas e industriales ricos en celulosa. Se trata de una materia primaabundante, la lignocelulosa es la materia renovable más abundante de la biosfera. Sinembargo la celulosa es compleja, y su asociación con la lignina impide todavía procesosindustriales operativos competitivos. Sin embargo cabe mencionar el uso de desechos decaña de azúcar para elaboración de bioalcohol y alconafta (mejorando el octanaje) y lasexperiencias piloto de uso de desechos agrícolas para la generación de biodisel.

• Otros ejemplos en la misma línea: uso de desechos procedentes de las industriaspapeleras y lactosueros (residuos ricos en lactosa) procedentes de las queserías.

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Un microorganismo de uso industrial debe producir la sustancia de interés; debe estardisponible en cultivo puro; debe ser genéticamente estable y debe crecer en cultivos agran escala. Otra característica importante es que el microorganismo industrial crezcarápidamente y produzca el producto deseado en un corto período de tiempo. Elmicroorganismo debe también crecer en un relativamente barato medio de cultivodisponible en grandes cantidades. Además, un microorganismo industrial no debe serpatógeno para el hombre o para los animales o plantas. Otro requisito importante es lafacilidad de separar las células microbianas del medio de cultivo; la centrifugación esdificultosa o cara a gran escala. Los microorganismos industriales más favorables para estoson aquellos de mayor tamaño celular (hongos filamentosos, levaduras y bacteriasfilamentosas) ya que estas células sedimentan más fácilmente que las bacteriasunicelulares e incluso son más fáciles de filtrar.

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Los procesos biotecnológicos son aplicaciones de los principios de ingeniería a procesosbasados en la utilización de células vivas o subcomponentes de tales células, sean éstassilvestres o sometidas a manipulación genética.

Es así como los procesos biotecnológicos se han incorporado a diversos ámbitosindustriales, tales como la industria agro‐alimentaria, farmacéutica, minería, química,medicina, entre otras, con el consiguiente aumento en la productividad y la mejora de losprocesos productivos

Los procesos biotecnológicos han sido reconocidos como esenciales en el desarrolloindustrial para los próximos años. En diversos sectores tradicionales, como agricultura,agroindustria, acuicultura, industria de alimentos, tratamiento de residuos, en la química, lamedicina, etc., existe una creciente necesidad de incorporar procesos biotecnológicos quepermitan la obtención de productos con valor agregado a partir de desechos osubproductos de sus procesos tradicionales. un ejemplo es la creación de alimentostransgénicos, o la misma penicilina que se extrae de un hongo.

Actualmente se busca comprender cómo ocurren estos procesos biológicos y se conocenlos microorganismos y qué compuestos químicos y enzimas sintetizan para emplearlos enprocesos industriales (fabricación de detergentes, manufactura del papel e industriafarmacéutica).

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La biotecnología ha estado presente por mucho tiempo. Procesos como la producción decerveza, vino, queso y yogurt implican el uso de bacterias o levaduras con el fin de convertirun producto natural como leche o jugo de uvas, en un producto de fermentación másapetecible como el yogurt o el vino. Tradicionalmente, la biotecnología tiene muchasaplicaciones. Un ejemplo sencillo es el compostaje, el cual aumenta la fertilidad del suelopermitiendo que microorganismos del suelo descompongan residuos orgánicos. Otrasaplicaciones incluyen la producción y uso de vacunas para prevenir enfermedades humanasy animales. En la industria alimenticia, la producción de vino y de cerveza se encuentraentre los muchos usos prácticos de la biotecnología.

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La biotecnología moderna está compuesta por una variedad de técnicas derivadas de lainvestigación en biología celular y molecular, las cuales pueden ser utilizadas en cualquierindustria que utilice microorganismos o células vegetales y animales. Esta tecnologíapermite la transformación de la agricultura. También, tiene importancia para otrasindustrias basadas en el carbono, como energía, productos químicos y farmacéuticos ymanejo de residuos o desechos. Tiene un enorme impacto potencial, porque lainvestigación en ciencias biológicas está efectuando avances vertiginosos y los resultadosno solamente afectan una amplitud de sectores sino que también facilitan enlace entreellos. Por ejemplo, resultados exitosos en fermentaciones de desechos agrícolas, podríanafectar tanto la economía del sector energético como la de agroindustria y adicionalmenteejercer un efecto ambiental favorable.

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Las biotecnologías proporcionan un amplio rango de usos potenciales utilizando lastécnicas de PLFRs (Polimorfismo en longitud de fragmentos de restricción) se puedenobtener ADN 'fingerprints' (identidad molecular). Cualquier organismo puede seridentificado por composición molecular, en consecuencia este 'fingerprint' puede ser usadopara determinar las relaciones familiares en litigios de paternidad, para confrontardonantes de órganos con receptores en programas de trasplante, unir sospechosos con laevidencia de ADN en la escena del crimen (biotecnología forense), o servir como indicativode pedigrí para mejoramiento en semillas y ganado.

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Al utilizar las técnicas de secuenciación de ADN y de PCR (reacción de polimerasa encadena) los científicos pueden diagnosticar infecciones víricas, bacterianas o fúngicas,distinguir entre individuos cercanamente emparentados, o mapear la localización específicade los genes a lo largo de la molécula de ADN en las células. La tuberculosis, el SIDA, lospapilomavirus y muchas otras enfermedades infecciosas, adicionalmente a los desórdenesheredados como la fibrosis quística o la anemia falciforme son diagnosticadas en pocashoras. Para las enfermedades animales, la biotecnología provee de numerosasoportunidades para combatirlas y están siendo desarrolladas vacunas contra muchasenfermedades bovinas y porcinas. Las nuevas vacunas recombinantes tienen mayorprotección, son más estables y más fáciles de producir.

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Hoy día la biotecnología ya debe formar parte esencial de la práctica médica

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Los bioprocesos se emplean para la transformación de materia orgánica con la ayuda de unbiocatalizador, se utilizan en síntesis químicas y para la conversión de material de desecho aproductos útiles (como material reciclado) o como efluentes que no son peligrosos para elambiente (tratamiento de desechos).

http://www.bbc.co.uk/worldservice/assets/images/2009/04/090417105705_sp_estudiantesga1_526x395.jpg

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Por ejemplo:

En muchos bioprocesos se emplean microalgas que en sus procesos metabólicos soncapaces de producir ciertos tipos de hidrocarburos a los cuales se les denomina«biopetroleo»,

En este esquema se representa:

1. La producción en tanques de las microalgas, las cuales mediante el proceso defotosíntesis incrementan su biomasa.

2. Al cabo de unas horas la concentración de algas reproducidas alcanza su máximaconcentración en nímero de individuos por litro. (biomasa)

3. Mediante un proceso de separaciónmecanica utilizando una centrifugadora industrial sesepara el agua de la biomasa de algas.

4. Finalmente mediante un proceso de refinación de esta biomasa se puede obtenerbiopetroleo y celulosa.

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La bioremediación está basada en métodos donde se utilizan diversos organismos vivos(bacterias, plantas, hongos, etc.) LOS CUALES MEDIANTE SUS PROCESOS METABÓLICOSrealizan una reducción catalizada de manera biológica, de diversos compuestos químicoscomplejos los cuales se degradan hasta convertirse en minerales inocuos ( proceso demineralización) los productos del metabolismo de los microorganismos sirven paradegradar sustancias contaminantes generalmente de naturaleza orgánica, como porejemplo los hidrocarburos, que son de naturaleza peligrosos para la salud y la vida, perotambién puede convertir contaminantes inorgánicos en compuestos ambientales menostóxicos o no tóxicos.

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Se han identificado bacterias que pueden ser utilizadas para remover residuos de pesticidasdel suelo. También se emplean como detectores de polución y para el monitoreo deresiduos tóxicos.

En el caso del esquema las bacterias degradativas pueden metabolizar pesticidas,herbicidas y sustancias organocloradas, degradándolas por procesos metabólicos a agua yanhidrido carbónico, así como también desactivando los compuestos organohalogenadosmediante procesos metabólicos de deshalogenación, descontaminando así los suelosevitando que se contaminen las reservas acuíferas.

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Ciertos hongos son muy efectivos en la remoción de un amplio rango de contaminantes.

Por ejemplo:

• Sustancias empleadas en preservación de madera.

• Hidrocarburos.

• Organoclorados.

• Tinturas.

• Pesticidas.

• Fungicidas.

• Herbicidas.

• Plásticos

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Ciertas plantas crecen en suelos contaminados. Sus raíces pueden extraer el contaminante,por ejemplo un metal pesado, ya sea degradándolo o bien adsorbiéndolo. Si ocurre loúltimo, la planta acumula el tóxico en sus yemas y hojas, por lo cual la planta es luegoremovida e incinerada.

http://ciencinante.files.wordpress.com/2011/11/fitorremediacion‐pcbs‐chopo.jpg

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Las plantas pueden utilizar tres estrategias en la remediación:

• Degradación (destrucción del contaminante)

• Extracción

• Contención/inmovilización

Las fitotecnologías se pueden aplicar tanto a contaminantes orgánicos como inorgánicos,presentes en sustratos sólidos, líquidos o en el aire. Se distinguen:

Fitoextracción: uso de plantas acumuladoras de elementos tóxicos o compuestos orgánicospara retirarlos del suelo mediante su absorción y concentración en las partes coséchales. Elproceso se realiza tantas veces como sea necesario para descender hasta nivelespermisibles de contaminantes como: Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Zn.

Fitoestabilización: uso de plantas para reducir la biodisponibilidad de los contaminantes enel entorno, mejorando laspropiedades físicas y químicas del medio.

Fitoinmovilización: uso de las raíces de las plantas para la fijación o inmovilización de loscontaminantes en el suelo.

J u n t o c o n l a a n t e r i o r s o n t é c n i c a s d e c o n t e n c i ó n :Fitovolatilización: uso de plantas para eliminar los contaminantes del medio mediante su

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volatilización, y paraeliminar contaminantes del aire.

Fitodegradación: uso de plantas y microrganismos asociados para degradar contaminantesorgánicos.

Rizofiltración: uso de raíces para absorber y adsorber contaminantes del agua y de otrosefluentes acuosos

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Es una Tecnología Limpia: los contaminantes pueden ser transformados hasta compuestosinocuos como el CO2. Cuando los nutrientes se agotan, incluyendo los contaminantesempleados como fuente de carbono, los microorganismos mueren.

Su bajo costo en relación con otros tratamientos: un menor gasto de energía, bajo costo delos nutrientes y la operación bajo condiciones ambientales.

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• Tipo de contaminante y su concentración.

• Medio ambiente circundante a la contaminación.

• Tipo de suelo.

• Proximidad y condición de napas.

• Relación costo/beneficio: costo versus impacto ambiental general.

• Duración del proceso biorremediativo.

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Ex situ.‐ Se excava el material a tratar y se le maneja en un sistema controlado, como unacelda de “landfarming” o en algún tipo de biorreactor.

In situ.‐ Se deja el material contaminado donde se encuentra (debajo de un edificio u otrainstalación petrolera o en el subsuelo a profundidad), y se tratan de modificar lascondiciones en donde está la contaminación para estimular la biodegradación y así sanearel sitio.

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Se emplean microorganismos para recuperar el metal en los sustratos minerales que loscontengan. Debido a que en la extracción de mineral se pueden producir subproductostóxicos y no alcanzar a recuperar todo el mineral de interés, se pueden emplear para estefin los procesos de biolixiviación, proceso que puede ser visualizado y entendidoobservando el siguiente video. https://vimeo.com/24746953

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Por ejemplo:

Las Bacterias Acidithiobacillus ferroxidans oxidan sustratos minerales ya que utilizan estossustratos como su alimento, estos son acumulados en pilas, y para que suceda la oxidación,es decir, el microorganismo metabolice los sustratos minerales, se insufla aire a la pila desustratos, los cuales al alimentarse pueden liberar sustancias minerales de interéseconómico, como por ejemplo, el cobre. Esta acción permite obtener industrialmente estemetal, con una baja contaminación ambiental.

url bacteria:

http://www.que.es/archivos/201009/20100916172834‐365xXx80.jpg

url proceso:

http://oldearth.files.wordpress.com/2008/06/biore‐2.jpg

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Método de lixiviación bacteriana .

El método mas tradicional consiste en disponer de minerales en botaderos (A) o en pilas (B)sobre superficies impermeables . Ellos son regados por solución de lixiviación que contieneácido, oxígeno y nutrientes para favorecer la acción de lios Thiobacilli . La solución delixiviación recuperada (D) contiene cobre (0,5 a 2g/lt), el que es recuperado por métodosquímicos o electrolíticos (E) y (F). Por ejemplo la solución que contiene cobre atraviesa unestanque que contiene virutas de hierro (E), que permanentemente reducen al cobre.Luego el cobre es separado y purificado (F). Las soluciones de lixiviación reutilizadas paralixiviación (G).

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Es importante recordar que los procesos biotecnológicos, ya sean tradicionales o modernosson de gran importancia económica y permiten transformar materia organica e inorganicautilizando microorganismos y/o material biológico.

Los elementos que todo proceso biotecnológico debe tener El bioreactor, los agentesbiológicos microroganismos no patógenos y los sustratos, que generalmente son diversossubproductos agroindustriales de interés económico.

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• ECOSISTEMAS, RELACIONES INTERESPECIFICAS (SIN FECHA)http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esobiologia/4quincena10/4quincena10_contenidos_1f.htm, (consulta: 5 de Diciembre 2013)

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• MEDIDAS AMBIENTALES DE LOS ECOSISTEMAS (Junio 2003) (http://oner‐medidasambientales.blogspot.com/; contiene información sobre los ecosistemas,(consulta: 11 de Diciembre 2013).

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ESTRATEGIAS PARA REDUCIR EL IMPACTO AMBIENTALhttp://www.innocamaras.org/metaspace/portal/13626/49974‐ecodise%C3%B1o:‐dise%C3%B1o‐de‐productos‐servicios‐sostenibles, (Consulta: Julio 2013).

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