Recuperacion de Productos1

8/16/2019 Recuperacion de Productos1

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RECUPERACION DE PRODUCTOS

I. INTRODUCCION:

La comercialización de nuevos productos conseguidos a través del empleo

de la “biotecnología”, demanda de un coordinado encaje de operaciones

unitarias a fn de ampliar un proceso efciente

El objetivo general de este proceso es cambiar materia prima

relativamente de bajo costo en productos de mayor importe comercial.

En este sentido la biotecnología se puede concretar como “la colección de

procesos industriales ue comprenden el uso de sistemas biológicos”.

El punto central de este proceso es el biorreactor. En esta unidad de

operación se manipulan catalizadores biológicos !microorganismos, células

vegetales ó animales, enzimas, virus, etc." para la obtención de

sustancias, alimentos, agentes terapéuticos, etc. de interés.

#o obstante, el biorreactor no est$ aislado, sino ue la efciencia y é%ito de

la operación depende de un adecuado “upstream processing” !procesado

previo" ue envuelve desde el dise&o del medio de cultivo 'asta la

esterilización del mismo. (or otro lado, la liberación del producto fnal

reuiere una serie de operaciones re)eridas colectivamente como

“do*nstream processing” !+(".

Estas operaciones perciben todos los tratamientos ue reuiere el cultivo,

una vez consumado, para la obtención del producto en las condiciones de

pureza y actividad esperadas

RECUPERACIÓN:


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(CONCENTRACION Y PURIFICACION)

• La recuperación del producto, es un término agrupado, til para

todas las etapas ue se demandan a fn de recuperar o distanciar los

productos tiles de cualuier tipo de proceso industrial.

• +e debe di)erenciar los conceptos de concentración y purifcación.

• -na etapa de recuperación cambia la concentración yo la pureza de

un metabolito.

• En el proceso ideal de recuperación se per)eccionan ambos

par$metros.

TÉCNICAS UTILIZADAS EN LA RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS

• En tiempos /#/0/1LE+ de la 2icrobiología /ndustrial las técnicas

manejadas !e%tracción, destilación, di$lisis, cristalización, precipitación,

desecación" se tomaron concisamente de la /ngeniería 3uímica con un

intento pró%imo para adaptarlas a los materiales biológicos.

• (ara materiales biológicos, 'abía ue per)eccionar procesos

específcos de purifcación ya ue los bioproductos son continuamente

compuestos muy l$biles. +us estructuras activas pueden sobrevivir

solamente bajo condiciones concretadas y limitadas de p4,

temperatura, )uerza iónica, etc.


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• #o e%iste una maniobra nica, ideal o universal, ni secuencias de

operaciones ue puedan ser encomendadas5 las operaciones

individuales unitarias deben ser combinadas de la )orma m$s ordenada

para cada problema particular.

ETAPAS DE RECUPERACION

A. Separación e !a" par#$c%!a" (SEPARACIÓN DE SÓLIDOS DEL

L&'UIDO)

• En muc'os casos, es la etapa inicial al fnal de una )ermentación. Es la

primera etapa en la recuperación del producto. +e aísla la biomasa

celular y los ingredientes insolubles del sobrenadante del cultivo

• El producto fnal an'elado puede ser el propio microorganismo, sin

embargo, en la mayor parte de los procesos a gran escala el producto

deseado es un metabolito ue est$ vigente e%tra o intracelularmente.

e#a*!i#*" e+#race!%!are": amino$cidos, $cido cítrico, alco'ol,

algunos enzimas !amilasas y proteasas" y la mayor parte de

antibióticos !penicilina, estreptomicina".

e#a*!i#*" in#race!%!are": $cidos nucleicos, vitaminas, enzimas

y ciertos antibióticos !griseo)ulvina".

+i el metabolito a aislar es intracelular, debe ser librado de las

células antes de derivar a las siguientes etapas. -na vez el

metabolito 'a sido retirado de las células, la selección de etapas

adicionales de purifcación depender$ del producto deseado.

e#a*!i#*" en !a" c,!%!a" - en e! !#ra* e! c%!#i/*: En

pocos casos se encuentran !Ej. vitamina 678".


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• E%isten varios métodos9 0*c%!ación1 0*#ación1 !#ración -

cen#ri2%3ación.

4. F!*c%!ación - 0*#ación

• En la :oculación se originan grandes agregados ue sedimentan muc'o

m$s r$pidamente ya ue la velocidad de precipitación de una partícula

aumenta con su di$metro !ley de +to;es".

• 1plicación9 para células aisladas en el rango de tama&o de 7 a 7< =m

ue sedimentan solo muy perezosamente y son di)íciles de precipitar

incluso con la centrí)uga.

• En la mayor parte de los casos se agrega un agente :oculante, sal

inorg$nica, polielectrolitos org$nicos o 'idrocoloides minerales.

• La :oculación acata tanto del agente foculante empleado como de

otros )actores como la naturaleza de las células, de los constituyentes

iónicos así como su concentración.

• La :oculación puede ocurrir reversiblemente si las cargas sobre la

superfcie de la célula pueden neutralizarse por iones de carga

sublevada, e irreversiblemente si se )orman, entre las células, puentes

de moléculas poliméricas imputadas.

• +e utilizar la :otación si no se )orma un :óculo sufcientemente espeso,

y es el transcurso reverso a la :oculación.

• La :otación se consigue implantando gas en el líuido. Las peue&as

burbujas de gas adsorben y a)erran a las células y suben a la capa de

espuma en la parte superior del recipiente donde pueden ser

almacenadas y sacadas del biorreactor.


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5. Fi!#ración

1lgn tipo de proceso de fltración es lo mas abundante se lleve a cabo

en la primera etapa en el proceso de recuperación.

Los dos principales tipos de fltros son los ltros en proundidad y ltros

en supercie5 en ambos casos la )uerza motriz es la presión, sea

establecida por sobrepresión o por vacío.

-n fltro en pro)undidad se monta a partir de una matriz lamentosa,

como lana de vidrio o papel de fltro, llev$ndose a cabo el proceso de

fltración debido a ue las partículas ue 'an de ser depuestas uedan

atrapadas dentro de la matriz. Las partículas ue van a ser fltradas son

)recuentemente m$s peue&as ue los poros del fltro, pero a pesar de

ello son separadas a medida ue pasan a través de los intersticios

retorcidos del fltro.

Los fltros en superfcie son membranas en las ue el volumen de los

poros es m$s peue&o ue las partículas ue van a ser fltradas.

Las partículas son, por consiguiente, retiradas sobre las superfcies de

los fltros.

Los 'ongos flamentosos se fltran )recuentemente a través de fltros

pro)undos. (or su parte, los cultivos bacterianos deben ser fltrados en

superfcie. En cualuier caso, la velocidad de ltración, es decir el

volumen de fltrado ue puede ser recogido en un tiempo defnitivo,

est$ in:uenciada por numerosos )actores, como el tama&o de los

microorganismos, su mor)ología, la viscosidad del :uido, temperatura,

etc.

-no de los inconvenientes de la fltración en superfcie es la

colmatación. >ebido a ue este proceso de fltración depende

rigurosamente del tama&o de los poros y del tama&o de las partículas,

a medida ue el material celular se amontona sobre el fltro se )orma

una capa ue reduce la velocidad de fltración.


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-na mejora )ormidable en el :ujo ue pasa por el fltro se consigue por

fltración en contracorriente, en la cual los sólidos que no pasen a

través del ltro son mantenidos en suspensión mediante un fujo

turbulento a través de la membrana o acordando palas móviles o

mediante un impulsor en el interior del ltro. El fltrado pasa a través

de la membrana y la biomasa se separa del fltro y se transfere con el

material ue se retiene. 0on el método de contracorriente puede

obtenerse un aumento de la velocidad de fltración de 7ependiendo del volumen de las partículas ue sean fltradas se

reconocen tres tipos principales de procesos de fltración9

?smosis reversa, para partículas de


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?rganizando el tambor en segmentos, la ayuda fltrante puede ser

lavada a medida ue gira el tambor. Los fltros de tambor a vacío son

especialmente buenos para suspensiones ue contengan una alta

concentración de sólidos !8


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• 1lgunos tipos de rotores9 c$mara tubular, recipiente de c$mara mltiple

y centrí)uga de rotor de discos. Fodos los dise&os tienen desventajas

individuales a las ue deben ser a&adidas las generales del coste

!incluyendo el mantenimiento", gasto de energía y !e%ceptuando las

ue incorporan re)rigeración" elevación de la temperatura.

6. >esintegración de los microorganismos !G-(F-G1 0EL-L1G"

• Etapa en ue los microorganismos son divididos por procedimientos

químicos, ísicos o biológicos, en los casos ue se solicite para la

recuperación del producto.

• La elección del método depende principalmente de la naturaleza de las

células. #o obstante las membranas celulares no o)recen especial

resistencia a la ruptura, las paredes celulares varían ampliamente a la

rotura.

• Las bacterias Hram I y 'ongos son muc'o m$s di)íciles de rasgar ue

las bacterias H@ debido a la composición de la pared celular. /ncluso

dentro de un mismo microorganismo las células varían

signifcativamente en sensibilidad a la ruptura dependiendo de su

estado fsiológico.

• La desintegración no debe destruir el producto de interés. (or ejemplo,

pueden utilizarse $cidos para romper muc'os microorganismos pero no

pueden ser utilizados si el producto es l$bil a los $cidos.

7. 2étodos uímicos

• /ncluyen tratamiento con lcalis o cidos, solventes orgnicos y

detergentes!


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• La lisis bacteriana con $lcalis puede e)ectuar a gran escala y bajo

costeo siempre y cuando el producto sea estable a p49 7


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admitiendo ue el líuido salga por una v$lvula, lo ue ocasiona la lisis

celular.

0. 2étodos de aislamiento !+E(1G10/# >E GE+F?+ 0EL-L1GE+"

• -na vez lisadas las células, los restos celulares se retiran por

centri)ugación de gran capacidad a baja velocidad o por fltración en

membrana.

• 1l fnal alcanzamos un líuido libre de células ue es el ue su)re los

tratamientos posteriores para aislamiento y en su caso purifcación del

producto de interés.

D. C*ncen#ración - P%ricación e! pr*%c#*

4. Cr*8a#*3ra2$a

• El uso de métodos cromatogr$fcos involucran unas de las etapas m$s

caras en la recuperación del producto

• Fales métodos son de especial valor para la purifcación de materiales

biológicos sensibles y encuentran un amplio uso en la elaboración de

materiales )armacéuticos, reactivos de diagnóstico y reactivos para

investigación.

• Los distintos métodos cromatogr$fcos ue e%isten segn su

mecanismo de separación son9 fltración en gel !peso molecular",

cromatogra)ía de ad'esión !interacciones 'idro)óbicas", cromatogra)ía

de intercambio iónico !carga", cromatogra)ía de afnidad !actividad

biológica" y electroen)oue !punto isoeléctrico".

5. E+#racción

• 0uando se utiliza a los bioproductos, tiene )unción de apartamiento y

concentración.


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• El caldo acuoso de )ermentación ue contiene el producto deseado se

mezcla con un solvente inmiscible en el ue se disuelva

pre)erentemente y del ue pueda ser m$s )$cil y específcamente

recuperado.

• -na vez se 'a concentrado el producto an'elado en la )ase solvente

puede ser adicionalmente purifcado.

• La e%tracción con solventes 'a sido manejada ampliamente en la

industria de antibióticos !penicilina" manejando solventes !acetato de

amilo o de butilo".

• (ara la separación de enzimas en estado activo no pueden ser

utilizados los solventes org$nicos pero sí pueden ser utilizados sistemas

acuosos en )ase mltiple preparados en una solución de sales con

polímeros 'idro)ílicos !polietilenglicol@de%trano". En ambas )ases el

agua es el componente principal, pero ambas )ases no son miscibles

por lo ue los enzimas pueden separarse )$cilmente sin pérdida de

actividad.

6. Precipi#ación1 Cri"#a!i9ación -* De"ecación: U!#i8a" e#apa":

Cri"#a!i9ación - precipi#ación

• La cristalización a baja temperatura es una )orma muy suave de

purifcación.

• +e utiliza principalmente para la desin)ección de compuestos de bajo

peso molecular !antibióticos". (or ejemplo, la (enicilina H es

generalmente e%traída del caldo de )ermentación con acetato de butilo

y cristalizada por adición de acetato pot$sico en solución etanólica.

De"ecación


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• >esecado del material biológico. Es en muc'os casos el método fnal.

Los productos son llevados a una )orma frme adecuada para su manejo

y almacenamiento.

• La sensibilidad al calor de la mayor parte de los productos biológicos

representa ue los nicos métodos ue pueden ser utilizados son los

ue transferen a la eliminación de agua con elevación mínima de la

temperatura.

• La termoestabilidad de los productos !enzimas o preparaciones

)armacéuticas" en algunos casos, es corregida por la adición de

azcares u otros estabilizantes inertes.

• La lioflización es el método de desecación m$s suave debido a ue el

agua es sublimada a partir de una masa congelada. 2uc'os productos

)armacéuticos son lioflizados !vacunas, )racciones de plasma,

'ormonas y elaboraciones de enzimas, así como ingredientes muy

l$biles y caros para diagnosis". Fambién se liofliza cultivos microbianos

vivos !cultivos para inoculación en las industrias l$cteas".

E. Reni8ien#*

Las pérdidas en la recuperación dependen de la sensibilidad de las

sustancias al proceso y del nmero de etapas de purifcación.

El promedio de pérdidas atribuidas a la purifcación est$ en torno al 8


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a. La naturaleza uímica del mismo9 sustancias simples !alco'oles, $cidos

org$nicos"5 proteínas, sustancias con actividad terapéutica

!antibióticos, 'ormonas" etc.

b. El volumen de producción y la concentración del producto en el caldo

de )ermentación9 los aclamados “commodities” !etanol, $cido cítrico,

etc." se obtienen de a cientos o miles de ton.a&o y en altas

concentraciones en la )ermentación. 2ientras ue los agentes

terapéuticos de moderna generación !'ormonas, )actores de

coagulación, etc." se originan sólo algunos ;ga&o y su concentración

en la producción es baja. Esto determina la escala de producción.

c. Los reuerimientos de pureza del producto fnal. Las moléculas a ser

utilizadas en salud 'umana reuerir$n una pureza fnal muy di)erente a

las enzimas a ser manejadas en los polvos para lavar ó de un

acidulante para alimentos.

El principal ejemplo son los antibióticos. La concentración de los mismos

en los caldos )ue increment$ndose a medida ue se conocía m$s del

producto, se mejoraba la productividad de las cepas, se desarrollabannuevas metodologías de producción y así ue aumentndose el volumen y

bajando los precios.

Lo mismo puede ocurrir con los agentes terapéuticos de ltima

generación.


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posibilita un buen posicionamiento en el mercado ue aprueba,

posteriormente, el desarrollo de nuevas tecnologías de cambio de escala y

+(. ?tra vez el ejemplo de este tipo de evolución son los antibióticos.

Las estrategias de dise&o de procesos de +( para los productos conocidos

pueden resumirse en9

7. Estar al tanto las propiedades )ísicas y uímicas b$sicas del principio

activo y características del producto fnal !por ejemplo defnir pureza

reuerida". El uso determina la pureza. (ara agentes terapéuticos se

reuiere un alto grado de pureza del principio activo. +e tolera un

m$%imo de 7


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concentración, ya ue el agua es por lo general la impureza mayoritaria

!mayor del M

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