Introducción a la Biotecnología: Fundamentos de la Biotecnología Industrial

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Conferencia:

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I. Introducción

II. Cinética del

crecimiento

microbiano

III. Cinética enzimática

IV.Tipos de

bioreacciones

V. Principales tipos de

bioreactores

27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 3

• La Biotecnología se desarrolló antes de que se descubriera su fundamento científico y las leyes que la gobiernan.

• Por ejemplo, la máquina de vapor era de uso común antes de que la ciencia de la Termodinámica dilucidara los principios físicos que sostenían sus operaciones.

• Sin embargo, algunas actividades tecnológicas modernas, como la Astronáutica y la Energía Nuclear, dependen totalmente de la Ciencia

Básica.

• Precisamente la más antigua de

las ramas de la Biotecnología es la

Biotecnología Industrial:

– Pasteur fue llamado por el dueño de

una cervecera para que lo ayudara,

porque su cebada no estaba

fermentando en cerveza.

– Descubrió que la levadura era un

organismo vivo y que con él

competían otros organismos que

convertían la cebada en ácido láctico.

– De ahí surge la Bacteriología.

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• Surgen nuevos Conceptos en la Industria y

los Laboratorios: Esterilidad y Asepsia:

1. Ambiente estéril: Cero organismos

viables

– Imprescindible para los medios de

cultivo, no puede haber nada más que

lo que se vaya a inocular

posteriormente (no competencia)

2. Asepsia: Sólo el m. o. deseado

– Imprescindible para el desarrollo del

proceso productivo.

– Más complicado con organismos

recombinantes por las mutaciones

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Introducción

• Se trabaja con Materiales

Biológicos:

– Rango fisiológico (pH cerca

de 7, temperatura 35 - 40

grados).

– Presión de 1 a 2 atm.

– Sensibilidad ante el esfuerzo

cortante, por su particular

comportamiento ante las

deformaciones (Reología).

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En la Biotecnología

Industrial se

distinguen:

-Tecnología

Microbiana

-Cultivos de

células vegetales

-Cultivos de

células animales27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 7

Introducción

• En las primeras generaciones de la

Biotecnología sólo existía la Tecnología

Microbiana; los cultivos de células

animales y vegetales surgieron con la

3era. Generación de la Biotecnología.

• La experiencia acumulada con la TM sirvió

de base para los cultivos celulares.

• En esta conferencia se centrará la

atención en los cultivos microbianos.

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Fundamentos Microbiológicos

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La tasa de crecimiento de un

cultivo microbiano

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Conteo de viables (ufc) por

diluciones

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Conteo en cámara con

microscopio

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Medición por turbidimetría

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Crecimiento Microbiano

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Efecto de la Temperatura

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•Su afectación

al crecimiento y

consecuencias

moleculares

para la célula.

•Las tres

temperaturas

cardinales

varían con el

microorganis-

mo en cuestión

Influencia de temperatura en

crecimiento para distintos m. o.

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Efecto del oxígeno en el

crecimiento microbiano

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Fundamentos Bioquímicos

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Bioquímica: La Química de la Vida!

Inulina, Fructo

Oligosacárido

(FOS) con

propiedades

prebióticas

Enzimas• Las enzimas son proteínas globulares

con actividad catalítica específica.

• Prácticamente todas las reacciones

bioquímicas están mediadas por

enzimas.

• En una célula ocurren de 2000 a 3000

reacciones químicas distintas, por lo

que podría haber una cantidad similar

de enzimas.

• Cada enzima actúa sobre una

sustancia específica (sustrato) y lo

convierte en un producto específico

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Teoría de Michaelis-Menten

• Enzima reacciona con S y forma complejo ES.

• ES se separa en E y P. Etapas reversibles (Hay constantes

para ambos sentidos).27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 20

Uso de enzimas para

biotransformaciones

• Transformación en esteroides

• Procesos enzimáticos diversos

–Ejemplo: La conversión de la

Penicililla-G, obtenida por

fermentación, en el ácido 6-

aminopenicilámico (APA), mediante

la enzima penicilina acilasa.

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Ventajas del Proceso

Enzimático• La ruta química es

más larga y

compleja y requiere

muy bajas

temperaturas

• La ruta enzimática

se lleva a cabo a

temperatura

ambiente y en una

sola etapa27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 22

Tipos de reactores, en

diversas escalas: de la célula

al laboratorio, del laboratorio

al reactor industrial.

Los productos de la

Biotecnología Industrial se

obtienen en los bioreactores.

Los bioreactores pueden ser

organismos vivos o equipos

industriales

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Bioreactores

Fermentadores y

Bioreactores• Principal objeto de la

Ingeniería de Bioreacciones:

el Bioreactor.

• Concepto de Bioreactor

abarca microorganismos y

células.

• En la práctica se utiliza el

nombre de Fermentador

para microorganismos y se

reserva el nombre

Bioreactor para células 27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 24

Tipos de Fermentaciones

• Fermentación en Estado

Sólido (SSF):

– Más conocido y

simple: cuñas de agar

en laboratorio

– Cultivo de hongos en

superficie

– Películas microbianas

sobre cuerpos sólidos

(e.g.: tratamiento de

residuales)

– Producción de vinagre27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 25

Tipos de Fermentaciones

• En liquido. Ej. cerveza

(espuma hace sello)

– Otros anaerobios: eliminar O2,

sellaje adecuado y a veces N2

– Aerobios: esterilizar aire y

distribuir

– Agitación: mecánica o por gases

• Es el que principalmente se

tratará en este Curso27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 26

• Cultivo disperso o sumergido,

más conocido y simple

Fermentadores para cultivo

sumergido

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Principales modos de operar

bioreactores• Cultivo discontinuo (Por

cargas, tandas ó

templas)

• Se llena e inocula

• La fermentación

transcurre en el tiempo

• Las concentraciones

varían en el tiempo

• Al final se descarga

(cosecha), limpia y se

repite el ciclo27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 28

Principales modos de operar

bioreactores

• Cultivo continuo:

– Medio de cultivo entra

continuamente

– Producto sale

continuamente

• Variante mezcla

perfecta

(Quimiostato):– Concentración

constante

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Principales modos de operar

bioreactores• Variante Flujo

Pistón:

– La composición

varía a lo largo

del fermentador

– La composición

en un punto es

constante en el

tiempo

• Empleo Principal:

– Reactores

enzimáticos

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Principales Modos de

operar bioreactores• Discontinuo

incrementado (fed-

batch):

– Comienza como

discontinuo (1)

– Después inicia el flujo

F (2)

– Cuando se llena se

para el proceso (3)

– Se cosecha y se

prepara

posteriormente para

comenzar otro ciclo

(4)

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Principales usos de los

modos de operación

• Cultivo discontinuo:

–Cuando no hay

inhibición

–Producción de

biomasa

–Producción de

metabolitos

primarios y

secundarios

• Cultivo continuo:

– Tratamiento biológico

de residuales

– Producción de SCP

– Para generar

información básica

sobre m. o. a usar en

otros modos de

operación

– Para aislamiento y

selección de cepas27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot 32

Operación discontinua

incrementada (fed-batch)• Ventajas:

– Permite evitar la

represión catabólica

– Permite utilizar el

equipamiento

diseñado para

discontinuo

– Flexibilidad de

operación

– Permite el control por

lotes

• Desventajas:

– Mayor complejidad en el

control

– Mantiene alto el tiempo

improductivo

– Se obtiene mayor

productividad que en los

procesos discontinuos

pero menor que los

continuos.

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Usos del Cultivo Fedbatch

• Producciones donde pueden

existir inhibiciones por

substrato o producto:

– Producción de levadura

panadera

– Producción de alcohol etílico

– Fermentaciones

recombinantes

• Su uso se incrementa cada vez

mas en la Industria

Biotecno1ógica moderna 27/07/2014 Dr. R. A. González, CEBiot

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Reactores de Membrana

• Desarrollo más

reciente.• Se usan

principalmente como

reactores enzimáticos

en proceso continuo

• La diferencia es que

se introduce un filtro

de membrana que

impide que la enzima

salga con el producto

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