Post on 26-Sep-2018
¿Qué es Biotecnología?
Utilización industrial de seres vivos (enzimas)
para obtener sustancias de interés.
La biotecnología es tan antigua como la
misma Civilización:
Los egipcios usaban pan con moho (hongo)
para tratar heridas infectadas.
La fabricación de bebidas fermentadas: Vino,
Cerveza, Sake, Chicha de jora, etc.
Fermentación
Cambios químicos en las sustancias
orgánicas producidos por la acción de
las enzimas.
Esta definición general incluye
prácticamente todas las reacciones
químicas de importancia fisiológica.
Productor Especie Producto
Levaduras Sacharoyces cerevisae
Yarrowia lipolytica
Trichosporum cutaneum
Levadura seca
Alcohol, Vino, Cerveza
Acido Cítrico
Oxidación de compuestos
Vitamina B, proteínas
Hongos
filamentosos
Aspergillus niger
Penicililum
Claviceps purpurea
Vitamina C
Penicilina
Alcaloides (cornezuelo del centeno)
Bacterias Bacillus sp.
Corynebacterium
glutamicum
Streptomyces sp.
Clostridium
acetobutylicum.
Gluconobacter y
Acetobacter
Antibióticos (gramicidina, bacitracina,
polimixina), proteasas e insecticidas
Fuente industrial de Lisina
Anfotericina B, kanamicina, neomicina,
estreptomicina, tetraciclina, etc.
Fuente de acetona y butanol
Productores de Ac.Acético
En la Industria
La biotecnología permite producir a menor costo que la síntesis química.
Insumos menos costosos, incluso materiales de desecho (melaza, desechos orgánicos, minerales traza).
La producción en organismos vivos se ha multiplicado, principalmente por la modificación genética, multiplicación de genes productores o inserción de nuevos genes por plásmidos...
Ventajas y Desventajas
Se pueden producir moléculas complejas como proteínas.
Mayor rendimiento.
Se trabaja a temperaturas bajas, pH cercano al neutro.
Reacciones específicas.
Se puede lograr isómeros de utilidad.
Fácil contaminación.
Produce mezclas.complejas y requiere operaciones de separación.
Utiliza grandes volumenes de agua.
Son procesos lentos.
Evolución de la Biotecnología
Hace 20 o 30 años:
Biotecnología Farmacéutica era la
obtención de fármacos o drogas a partir
de sustratos naturales usando
microorganismos.
Actualidad:
Es el desarrollo del ADN Recombinante y
su aplicación industrial.
El ADN Recombinante
Producto Proceso Clásico Proceso Biotecnológico
Insulina Páncreas de
cerdos, bovinos
Células o microorganismos
productores especializados.
Factor VIII
Coagulación
Sangre de
porcinos,
equinos
Células o microorganismos
productores
Vacunas Microorganis-
mos atenuados
Producción de PARTES de la
estructura patógena (no
desarrolla la enfermedad)
Comprende métodos y técnicas donde se manipulan
genes de organismos de especies diferentes.
Hay 5 grupos de fermentación
comercialmente importante:
1. Producción de biomasa como producto
final.
Lactobacilus reconstituyentes de la flora
intestinal (Floratil, Enterogermina, Infloran,
Lactocereal, etc.), levadura de
panificación,
Cultivos concentrados para inóculos, etc.
2. Producción de biomasa para extracción de
enzimas :
Amilasa, proteasas, pectinasas, isomerasa de la glucosa, cellulasas,lipasas, lactasas,
estreptokinasas, etc.
3. Obtención de Metabolitos :
Metabolitos Primarios : Etanol, Acido Cítrico,
glutámico, lisina, vitaminas, polisacáridos, etc.
Metabolitos secundarios : todos los antibióticos
por fermentación.
4. Productos Recombinantes:
Usa microorganismos modificados
genéticamente: Insulina, Interferón,
Estreptokinasa.
5. Biotransformaciones o síntesis:
Se logran oxidaciones, reducciones, insertar grupos funcionales, hidrolizar, esterificar, etc.
Transformación de esteroides, hormonas, obtención de saborizantes, aromatizantes
orgánicos.
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Producción de bienes
Materias primas (bajo costo) +
Agente biológico
Proceso (bajo costo)
Producto con
valor agregado
Biorreactores Son recipientes en el que se lleva a cabo un proceso
químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos.
Estos biorreactores son
comúnmente cilíndricos,
usualmente fabricados
en acero inoxidable.
Busca mantener condiciones
ambientales propicias (pH,
temperatura, concentración de
oxígeno, etcétera) al organismo o
sustancia química que se cultiva.
En función al flujo:
1. Lote o Discontinuo (Batch).
2. Lote alimentado o Semicontinuo (Feed-Batch).
3. Continuo o quimiostato.
Fases de la Fermentación
Producción biomasa,
metabolitos primarios
No crecimiento,
Metabolitos secundarios
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A- Inyección de aire
B- Difusor
C- Eje transmisor
D- Motor
E- Agitadores
F- Controladores
G- Salida gases
H- Entrada
I- Deflectores
J- Rompe-espuma
K- Camisa
L- Salida
Fermentador tipo tanque agitado
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Procesos utilizados en la purificación de
productos biotecnológicos
Centrifugación
Homogenización
Filtración, micro filtración, ultra filtración
Extracción con solventes
Adsorción
Electroforesis
Cromatografías
Liofilización
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A.-SEPARACIÓN CELULAR:
Generalmente es la primera etapa del proceso. Se
lleva a cabo por centrifugación o filtración por
membrana y se preserva la fracción que contiene
el producto: células si el producto es intracelular o
caldo si las células excretan el producto al medio
de cultivo durante la fermentación
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Centrifugal de discos
• Separa fases sólida y liquida en un proceso continuo
• Usa una fuerza centrifuga elevada
• Los sólidos (mas densos) se desplazan hacia las paredes
• La fase liquida forma capas concéntricas en el centro
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B- Disrupción de células:
- Es el proceso por el cual se produce la ruptura de las células para liberar el producto acumulado en su interior.
- Se lleva a cabo utilizando tratamientos químicos o enzimáticos de las células o por métodos físicos (bead mill y homogenización)
- La elección del método depende de las características de las células y de la estabilidad del producto
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Bead Mill
Cascading
beads
Cells being
disrupted
Rolling
beads
Tambor rotatorio con perlas de vidrio que impactan las
células y producen la lisis y liberación del contenido
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Homogeinización
Es el método mas utilizado en escala
industrial
La disrupción se lleva a cabo sometiendo
la suspensión de células a alta presión y
haciendo pasar la suspensión a través de
una válvula
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C- Captura primaria del producto:
- Es el primer paso de purificación donde se busca separar
las impurezas mas abundantes y fundamentalmente
eliminar el agua para reducir los volúmenes y reducir
costos de operación
- Se trabaja utilizando el caldo de fermentación si el
producto es excretado por las células al medio de cultivo
o el producto de la disrupción celular si el producto es
intracelular
- Los métodos mas utilizados son cromatografías de afinidad
y ultra filtración.
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Ultrafiltración:
El principio es similar al utilizado para separa células,
solo varia el tamaño del poro de acuerdo al tamaño del
producto que quiero retener
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D- Purificación prop dicha: el procesamiento involucrará más de una etapa para aislar la molécula deseada de otras moléculas presentes en la captura primaria:
Destilación
Centrifugación
Filtración
Ultra filtración
Extracción con solventes
Adsorción
Tamices moleculares
Electroforesis
Cromatografía de afinidad
Liofilización
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4- Terminado del Producto
Es la etapa final del proceso de
producción donde el producto se lleva a
su concentración final, se agregan
conservantes y se envasa.
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Escalado de procesos Los procesos biotecnológicos se desarrollan inicialmente en escala de
laboratorio. Para esto se usan pequeños fermentadores (0.5-5 L) y
sistemas de purificación que luego pueden escalarse.
Esto permite evaluar múltiples condiciones en un corto tiempo a un
bajo costo ensayando distintas condiciones en fermentadores y
sistemas de purificación montados en paralelo
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Escalado de procesos
Una etapa critica en el desarrollo de un proceso de producción es el
salto de escala
Hay procesos que funcionan muy bien en escala de laboratorio y los
rendimientos caen en forma marcada al aumentar la escala. Las
mermas de rendimiento están ligadas a múltiples factores
generalmente relacionados a la transferencia de masa y energía.
Ejemplo: los procesos de fermentación generan calor y para que la
temperatura en el fermentador permanezca en el valor optimo es
necesario refrigerar el fermentador. Refrigerar un fermentador de 1L es
fácil pero uno de 100.000 L es muy complicado. Otro problema es la
eliminación de desechos.
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Escalado de procesos Otro problema es que la producción de muchos compuestos es
dependiente de el consumo de oxigeno por parte de las células y la
capacidad de transferir oxigeno es inversamente proporcional al
tamaño del fermentador