Presentación introductoria corta sobre la Biotecnología industrial.

1. Conferencia:

2. I. Introducción
II. Cinética del
crecimiento
microbiano
III. Cinética enzimática
IV.Tipos de
bioreacciones
V. Principales tipos de
bioreactores

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• 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.

4. • 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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5. • 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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6. 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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7. En la Biotecnología
Industrial se
distinguen:
-Tecnología
Microbiana
-Cultivos de
células vegetales
-Cultivos de
células animales
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8. 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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9. Fundamentos Microbiológicos
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10. La tasa de crecimiento de un
cultivo microbiano
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11. Conteo de viables (ufc) por
diluciones
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12. Conteo en cámara con
microscopio
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13. Medición por turbidimetría
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14. Crecimiento Microbiano
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15. 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

16. Influencia de temperatura en
crecimiento para distintos m. o.
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17. Efecto del oxígeno en el
crecimiento microbiano
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18. Fundamentos Bioquímicos
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Bioquímica: La Química de la Vida!
Inulina, Fructo
Oligosacárido
(FOS) con
propiedades
prebióticas

19. 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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20. 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).
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21. 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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22. 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 etapa
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23. 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
27/07/2014 23Dr. R. A. González, CEBiot
Bioreactores

24. 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
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25. 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 vinagre
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26. 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 Curso
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• Cultivo disperso o sumergido,
más conocido y simple

27. Fermentadores para cultivo
sumergido
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28. 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

29. 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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30. 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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31. 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
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32. 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

33. 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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34. 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
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35. 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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