Bioseparaciones Teoria

8/6/2019 Bioseparaciones Teoria

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Biotecnologa - Bioprocesos II

INTRODUCCION A LOS PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

Separacin y purificacin en Biotecnologa(Downstream processing)

La comercializacin de nuevos productos obtenidos a travs del empleo de la biotecnologarequiere un coordinado acople de operaciones unitarias a fin de desarrollar un proceso eficiente.El objetivo general de este proceso es convertir materia prima relativamente de bajo costo enproductos de mayor valor comercial. En este sentido la biotecnologa se puede definir como lacoleccin de procesos industriales que involucran el uso de sistemas biolgicos. Un esquemageneral de un proceso biotecnolgico se muestra en la Figura 1. El punto central de esteproceso es el biorreactor. En esta unidad de operacin se utilizan catalizadores biolgicos(microorganismos, clulas vegetales animales, enzimas, virus, etc.) para la produccin de

sustancias, alimentos, agentes teraputicos, etc. de inters. No obstante, el biorreactor noexiste aislado, sino que la eficiencia y xito de la operacin depende de un adecuado upstreamprocessing (procesado previo) que incluye desde el diseo del medio de cultivo hasta laesterilizacin del mismo. Por otro lado, la recuperacin del producto final requiere una serie deoperaciones referidas colectivamente como downstream processing (SP). Estas operacionescomprenden todos los tratamientos que requiere el cultivo, una vez finalizado, para la obtencindel producto en las condiciones de pureza y actividad deseadas.

Los productos que resultan de los proceso biotecnolgicos pueden ser muy variados. Lavariedad estar dada por:

a. La naturaleza qumica del mismo: sustancias simples (alcoholes, cidos orgnicos);

protenas, sustancias con actividad teraputica (antibiticos, hormonas) etc.b. El volumen de produccin y la concentracin del producto en el caldo de fermentacin: los

llamados commodities (etanol, cido ctrico, etc.) se obtienen de a cientos o miles de ton./aoy en altas concentraciones en la fermentacin. Mientras que los agentes teraputicos de ltimageneracin (hormonas, factores de coagulacin, etc.) se producen slo algunos kg/ao y suconcentracin en la produccin es baja. Esto determina la escala de produccin.

c. Los requerimientos de pureza del producto final. Las molculas a ser utilizadas en saludhumana requerirn una pureza final muy diferente a las enzimas a ser utilizadas en los polvospara lavar de un acidulante para alimentos.

Con estos criterios podemos agrupar a los productos tal como se muestra en la Tabla 1. En laTabla 2 vemos los volmenes de produccin de ciertos productos. En la Tabla 3 vemos lasconcentraciones de productos en los caldos luego de la etapa de produccin. En la Fig. 2 vemoscomo tanto volumen (2.a) como concentracin (2.b) inciden en los precios finales de estosproductos. Por supuesto la ubicacin de un producto en este grfico no es fija. El mejor ejemploson los antibiticos. La concentracin de los mismos en los caldos fue incrementndose amedida que se conoca ms del producto, se mejoraba la productividad de las cepas, sedesarrollaban nuevas metodologas de produccin y as fue aumentndose el volumen y bajandolos precios. Lo mismo puede ocurrir con los agentes teraputicos de ltima generacin.

Por ello hablar de SP en Biotecnologa no es referirnos a algo invariable. Las etapas ymetodologas a emplear estn determinadas por todo lo dicho, pero de cualquier manera sepuede trazar un esquema general que sea aplicable a cualquier proceso.


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El esquema puede simplificarse como se muestra en la Figura 1.

Estrategias de diseo de procesos de SP

Para todos aquellos productos de la Biotecnologa llamada tradicional hay un granconocimiento tecnolgico y de las propiedades bsicas de las molculas a purificar tanto comodel entorno en que se encuentran luego de la etapa de produccin. No ocurre lo mismo con losproductos de ltima generacin ya que, por las necesidades comerciales para aprovechar la bajacompetencia, el elevado precio, y dada la baja escala actual de produccin, la estrategia esllegar rpido con el producto al mercado con la tecnologa de SP que se posea (por lo general ladesarrollada a escala de laboratorio). Esta estrategia posibilita un buen posicionamiento en elmercado que permite, posteriormente, el desarrollo de nuevas tecnologas de cambio de escalay SP. Otra vez el ejemplo de este tipo de evolucin son los antibiticos.

Las estrategias de diseo de procesos de SP para los productos conocidos pueden resumirseen:

1- Conocer las propiedades fsicas y qumicas bsicas del principio activo y caractersticas del

producto final (por ejemplo definir pureza requerida).El uso determina la pureza. Para agentes teraputicos se requiere un alto grado de pureza

del principio activo. Se tolera un mximo de 100 ppm de impurezas de 10 pg/dosis, ademsde estar libre de pirgenos.

2- Definir perfectamente el material de partida.En la Tabla 4 se muestra un ejemplo de caracterizacin de material de partida para la

purificacin de un producto. Muchas veces la metodologa de SP condiciona etapas deproduccin. Por ejemplo, pueden existir componentes del medio de cultivo (por lo generalsubproductos como agua de hidrolizado de maz, extracto de malta, sueros animales, albmina otros) que posean sustancias muy similares al producto final que, por lo tanto, interfieren en

la purificacin del mismo. En este caso se debe eliminar ese componente del medio de cultivo.3- Trazar diferentes esquemas tentativos de SP y llevarlos a etapas de laboratorio y piloto.

Algunas reglas que se siguen para ello son:

a. Elegir en etapas sucesivas procesos basados en diferentes propiedades fisicoqumicas. Porejemplo si una primera etapa es cromatografa de intercambio inico (propiedad: carga) sepuede seguir con una cromatografa de filtracin por geles (propiedad: tamao).

b. Separar las impurezas que estn en mayor proporcin en las primeras etapas. Por estacausa la etapa de separacin siempre finaliza en una concentracin, ya que el agua es por logeneral la impureza mayoritaria (mayor del 90% en cualquier proceso fermentativo).

c. Luego de la concentracin usar en las primeras etapas de purificacin propiamente dichaun mtodo de alta resolucin (por ejemplo cromatografa de afinidad). Estos mtodos poseenun alto rendimiento aunque no brinden la mayor pureza. En cierta medida lo que se hace esseguir concentrando para reducir la cantidad de muestra a tratar en las etapas posteriores.

d. Dejar el proceso ms complejo (y por lo general ms caro) para el final. Se usan estosmtodos cuando tenemos la sustancia a purificar concentrada y pre-purificada.

Volviendo al diagrama original de SP en la Figura 3 podemos ver algunos mtodos usados encada una de esas etapas.


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Figura 1 . Esquema general de un proceso biotecnolgico

Separacin slido-lquido

(separacin celular)

Separacin restoscelulares

Recuperacin yConcentracin

Agua60-70 g/l protenasMayor concen. Sust

simples

Mtodos de alta resolucin

Acondicionamiento del producto

Inculo

Esterilizacin y preparacin del

medio de cultivo

Produccin enBIORREACTOR

Productoextracelular

Ruptura celular

ProductoIntracelular

Purificacin

Recuperaci n del producto


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Tabla 1 . Caractersticas de algunos productos biotecnolgicos

GeneracinCaractersticas primera segunda tercera

Producto tipo Antibiticos -aminocidos Insulina HumanaHC Factor VIII tPA

Tipo de clulas No recombinantes Recombinantes Recombinantes

LocalizacinExtracelular eintracelular Intracelular Extracelular

Tamao Intermedio Macromolculas Macromolculas

Concentracin en elcaldo de fermentacin

alta baja baja

Volumen deproduccin

alto bajo bajo

Actividad al secretarse Si No SiPureza Alta Muy Alta Muy Alta

Similitud concontaminantes Baja Alta Alta

Valor Bajo Alto Alto

Figura 2.b

Figura 2.a


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Tabla 2 . Produccin mundial aproximada de algunos productos biotecnolgicos

Producto Toneladas por ao

Etanol 5.106

JMAF 5.106SCP 5.105 Aminocidos 5.105 Acido ctrico 5.105Levadura de panificacin 5.105Enzimas 5.104 Antibiticos 5.104

Tabla 3 . Concentraciones tpicas de algunos productos biotecnolgicos a la salida delbiorreactor

Producto Concentracin (kg/m3

)Etanol 70-120Compuestos orgnicos (c. ctrico) 40-100SCP 30-50Interfern 50-70 Antibiticos 10-30Enzimas (proteasas) 2-5Vitamina B12 0.02

Tabla 4 . Caractersticas generales del material de partida para realizar SP


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Figura 3 . Metodologas utilizadas en los procesos de SP

Como podemos observar, la economa de los procesos biotecnolgicos depende en granmedida de las operaciones de bioseparacin que involucran, de tal manera que la correctaseleccin de estas operaciones tiene un fuerte impacto en el xito del proceso.

Etapa

PURIFICACIONDEL

PRODUCTO

RECUPERACINDEL

PRODUCTO

Mtodos mecnicosPermeabilizacin

Mtodos qumicos biolgicos

FiltracinCentrifugacin

CONCENTRACION

SEPARACIONRESTOS

CELULARES

RUPTURACELULAR

SEPARACIONSOLIDO-LIQUIDO

Adsorcin, Crom. deIntercambio, Precipitacin,

Crom. de Afinidad

PRETRATAMIENTO OACONDICIONAMIENTO

ALTA RESOLUCION

TERMINACION

Crom. de Intercambio, Cromde Afinidad, Crom. deLigandos, Cristalizacin

Filtraci n por geles, HPLC,

Ultrafiltracin,precipitacin, destilacin,extraccin con solventes,

extraccin por 2 fasesacuosas, etc.

Filtraci nCentrifugacin

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