Bioprocesos microbianos

Agrotecnología Microbiana: Introducción a la Ingeniería de
bioprocesos, procesos biológicos, operaciones en batch y
continuas
Yánez-Mendizábal, V. PhD1*
v.yanez@udlanet.ec
viviana.yanez@udla.edu.ec
Proyectos de bioingeniería de alimentos

Consumidores
Vrs
Productores
Productos agropecuarios en
fresco
Creciente por alimentos y otros insumos de ‘calidad’
Procesados industrializados
Demanda actual
Tecnologías manejo limpio son
un segmento prioritario

Producción
clásica vrs
biotecnología
s
agropecuaria
Implementación de programas de producción eficiente + biotecnologías
Amplían las aplicaciones en los diferentes sectores alimentarios y no
alimentarios
Uso de microorganismos y/o sus metabolitos con potencial en los diferentes componentes de los sistemas
agropecuarios y que sumados a procesos de producción industrial .
https://www.youtube.com/watch?v=5Oz2ICYnqhQ

(I+D+T)
Implementación de programas exitosos de bioproducción
+ 30 años
Laboratorios
Centros de investigación & Universidades
Estudio de potencial biológico para el control
de enfermedades agrícolas

Sectores
Agroproductivos:
Campo
Postcosecha
Industrial
Comercialización
Demanda actual
Desarrollo de tecnologías limpias
Minimizar de forma eficiente las pérdidas por enfermedades agrícolas y el uso de productos químicos
sintéticos que afectan la salud humana y el ambiente
A la par comercialmente viables y competitivas (nivel industrial)
a lo largo de las cadenas productivas esta dirigido a:

Producción
clásica
vrs
biotecnología
agropecuarias
SECTORES ALIMENTARIOS
Bioprocesos de fermentación alcohólica
o láctea clásicos
Producción de bioenzimas /Alimentos
funcionales.

Ejemplo bioprospección
https://www.youtube.com/watch?
v=sGOWk11ioIE

Producción
clásica
vrs
biotecnología
agropecuarias
SECTORES NO ALIMENTARIOS
Fármacos / cosméticos
tradicionales
Biofármacos / Biocosméticos
SECTORES ALIMENTARIOS
Bioprocesos de fermentación alcohólica o láctea clásicos
Producción de bioenzimas /Alimentos funcionales.

Producción
clásica
vrs
biotecnología
agropecuarias
SECTORES AGROPECUARIOS
Pesticidas sintéticos pre y postcosecha
Biopesticidas/plaguicidas/biofilms
Producción pecuaria clásica
Balanceados microbianos fortificados
SECTORES AMBIENTALES
Producción de combustibles/contaminación
industrial
Biofábricas- /Biocombustibles/Remediación
in situ y ex situ
https://www.youtube.com/watch?v=Lv5N1i3tmJs

Bioproductos
agrícolas:
Biomasa
Biomoléculas
Biocidas
Inductores de
crecimiento
Volátiles
Films
Implementación de programas de producción y formulación ACB (I+D+T)

Implementación de programas exitosos de bioproducción

Puntos
claves
Cultivo
almacenado
Separación del cultivo
(centrifugación)
Esterilización del medio
Formulación del medio
Materiales componentes del medio
Erlenmeyer en agitación
Bioreactor a escala
piloto
Biomasa
Producción final
Sobrenadante libre
de células
Cultivo fresco
Implementación de programas de bioproducción
https://www.youtube.com/watch?v=5Oz2ICYnqhQ

Puntos
claves
Cultivo
almacenado
(centrifugación)
Bioreactor a escala
piloto
Biomasa
Producción final
Sobrenadante libre
de células
Cultivo fresco
Implementación de programas de bioproducción

Evolución de los
bioprocesos
Bioensayos in vitro e in vivo
Identificación y
caracterización del modo de
acción
Aislamiento y
selección
Pruebas piloto Pruebas comerciales
Registro para usoEscalado de producción y
formulación
Aislado-cepa
seleccionado
Ensayos toxicológicos Patente BioproductoDroby et al . 2009
Biodescubrimiento Adaptación
Optimización y diversificación de bioprocesos
Producción – Formulación ---

Evolución de los
bioprocesos
Bioensayos in vitro e in vivo
Identificación y
caracterización del modo de
acción
Aislamiento y
selección
Pruebas piloto Pruebas comerciales
Biodescubrimiento Adaptación
Optimización y diversificación de bioprocesos

Puntos
claves
Optimización procesos de producción (bioreactores o fermentadores)
Cultivo
almacenado
(centrifugación)
Bioreactor a escala
piloto
Biomasa
Producción final
Sobrenadante libre
de células
Cultivo fresco
Producción alta Mantenimiento
biomasa-metabolitos efectividad de biocontrol
Dinámica de crecimiento vrs tiempo (Д UFC o mg / L)
Factores circundantes(equipamiento):
Extrínsecos: T°, volumen de aire, agitación,
uso antifoam
Intrínsecos: biomasa, metabolitos aw, pH,
concentración de O2 disuelto, producción de
espuma
Medios de cultivo:
Bajo coste usando productos comerciales
y/o subproductos de industrias
alimentaria y agrícola similares en
requerimientos nutricionales a los de
laboratorio(N, C, microelementos)
Adaptaciones:
Equipamientos para sistemas dinámicos con flujos continuo de nutrientes e
instalaciones adicionales para reducir perdidas

Tipos de biorreactores
Photo Bioreactor Foto Biorreactor
Ventajas del fotobiorreactor
Mayor productividad Gran relación superficie-volumen
Mejor control de la transferencia de gas.
Reducción en la evaporación del medio de crecimiento.
Temperatura más uniforme.
Desventajas del fotobiorreactor
El costo de capital es muy alto.
La productividad y el costo de producción en algunos sistemas
de fotobiorreactores cerrados no son mucho mejores que los
que se pueden lograr en cultivos en estanques abiertos.
La dificultad técnica para esterilizar

Membrane Bioreactor Biorreactor De Membrana
Ventajas del biorreactor de membrana
La pérdida de enzima se reduce.
La enzima perdida por desnaturalización puede estar
compuesta por la adición periódica de enzima.
El sustrato y la enzima se pueden reemplazar fácilmente.
Desventajas
Reemplazo de la membrana

Ventajas del reactor de tambor rotativo
Alta transferencia de oxígeno.
Buena mezcla facilita un mejor
crecimiento e imparte menos estrés
hidrodinámico.
Desventajas del reactor de tambor
rotativo
Difícil de escalar.
Biorreactor de tambor rotativoRotary Drum Bioreactor

https://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/80456/Tvrym1de1.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Por qué formular????
Alargar la vida útil, la efectividad y los costos de producción
Hacer más amigable el uso

Cómo formular a escala industrial????
Lo clásico de líquido a sólido deshidratado usando calor
http://www.procept.be/products

Pros: Escalado industrial
Contras: Biomasa-Metabolitos se mueren

Qué hacer entonces????
Formular sin perder viabilidad/efectividad por frio

Pros: se mantiene la viabilidad
Contras:

Puntos clave
Optimización de procesos de producción y formulación
Sistemas líquidos agitados,
estáticos: > ACB (bacterias-
levaduras) y/o metabolitos escala
industrial
Solidos / Mixtos: < ACB (hongos)
escalado limitado
Producción
Bioprospección de nuevos ACB (microrganismos-biomoléculas) y efectividad
Concentraciones / volumen de producción / Estabilidad / Interacciones Host-Pat-ACB
Efectividad postaplicación

Puntos clave
Optimización de procesos de producción y formulación
Sistemas líquidos agitados,
estáticos: > ACB (bacterias-
levaduras) y/o metabolitos escala
industrial
Solidos / Mixtos: < ACB (hongos)
escalado limitado
Producción Formulación
Bioprospección de nuevos ACB (microrganismos-biomoléculas) y efectividad
Liquidas: Acuosas, oleosa, Emulsiones
< ACB almacenamiento limitado
Solidas: Freeze drying, fluid bed
Spray drying
Fluid bed –spray drying (nuevos)
Spray drying inverso
> ACB (bacterias-levaduras) y/o
metabolitos escala industrial
Concentraciones / volumen de producción / Estabilidad / Interacciones Host-Pat-ACB
Efectividad postaplicación

Puntos clave
Liquidas:
Acuosas
Oleosa
Emulsiones < ACB almacenamiento
limitado

Puntos clave
Sólidas: Freeze drying, fluid bed
Spray drying
Fluid bed –spray drying (nuevos)
Spray drying inverso
> ACB (bacterias-levaduras) y/o
metabolitos escala industrial

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