Diseño de bioprocesos.

1. Diseño y Sistemas de
Calidad de los Bioprocesos
Industriales
Universidad Nacional de Cajamarca
Mg. Ing. Yoner Alito Salas Pastor

2. Bioprocesos: Organismos empleados en
bioprocesos, materia prima, bioproductos.

3. ¿Cuáles son las materias primas que se utilizan?

4. Materias primas
✓ Son muchas y dependen de las producciones y de la
evolución de los procesos tecnológicos.
✓ Características:
1. Tienen que estar disponibles continuamente (o por
largos periodos de tiempo)
2. Deben ser de fácil transporte
3. De costos contenidos
4. Bajo impacto ambiental

5. Agua
✓ Material dominante.
✓ Influye en la calidad de los productos obtenidos.
✓ Los solutos que se encuentran en el agua, tales
como las sales y los azucares, afectan las
propiedades físicas del agua y también alteran el
punto de ebullición y de congelación del agua (Freile,
2011)

6. Macronutrientes
✓ Tienen una [ ] > 0.0001 M.
✓ Están incluidos las fuente de energía y carbono, oxígeno,
nitrógeno, fosfato, azufre y algunos minerales como los iones de
potasio y magnesio. Para determinados procesos se usan
nutrientes específicos (aminoácidos y vitaminas).
✓ Fuente de energía y carbón: dominante, suministra el carbón
necesario para la biosíntesis y la energía derivada de su
oxidación
En promedio, el 50% de la fuente de carbono se incorpora en la
biomasa y el restante 50% se utiliza para suministrar energía
para la biosíntesis, lo que resulta en producción de dióxido de
carbono.

7. Macronutrientes
✓ Nitrógeno: Representa entre el 10 % y el 14 % de la masa seca
celular.
Fuente: + utilizadas el amoniaco y las sales de amonio [NH4Cl,
(NH4)2SO4, NH3NO3]. Otras: Proteínas, aminoácidos, urea y
materiales complejos (extracto de levadura, harina de soya,
extracto de semilla de algodón, y licor de maíz fermentado).
✓ Oxígeno: representa el 20% de la masa celular.
Fuente: carbono
✓ Hidrógeno: 8%
Fuente: carbono y aireación del reactor.

8. Macronutrientes
✓ Fósforo: Representa 3% del peso seco celular.
Fuente: sales de potasio (KH2PO4 o medios complejos).
✓ Azufre: 0.5% de la masa celular.
Fuente: Sales de sulfato (sulfato de amonio o con aminoácidos:
metionina y cisteína) medios complejos.
✓ Iones de magnesio y potasio: se suministran como sulfato de
magnesio y de potasio, respectivamente.

9. Micronutrientes
✓ Tienen una [ ] < 0.0001 M
✓ Se requieren siempre hierro, zinc y manganeso.
✓ Bajo condiciones específicas de crecimiento: cobre, calcio, sodio
y boro.
✓ Elementos traza se añaden frecuentemente como sales
inorgánicas.
✓ Factores de crecimiento: vitaminas, hormonas, o amino ácidos,
✓ Agentes quelantes como el ácido cítrico o el EDTA (ácido etilen
diamino tetra acético), para prevenir la precipitación de
algunos iones como el Mg2+ o el Fe3+.
✓ Sustancias amortiguadoras (buffers) para mantener el pH
deseado.

10. Productos biotecnológicos

11. Productos Biotecnológicos
Tipos de Bioprocesos y Bioproductos
3 generaciones
Bioprocesos
desarrollados mediante
cultivos de organismos
no recombinantes, cuyos
productos se obtienen
en forma activa tanto si
son intracelulares o si
son secretados al medio
de cultivo.
Bioprocesos de la
biotecnología
tradicional: etanol,
enzimas, ácido cítrico y
antibióticos.
Los productos de estos
bioprocesos se
presentan en
concentraciones altas al
inicio de la etapa de
separación y no
requieren de una
extremada pureza para
su venta.
Primera Generación
(Tejada y Montesinos, 2008).

12. Productos Biotecnológicos
Tipos de Bioprocesos y Bioproductos
3 generaciones
Insulina humana, la
hormona de crecimiento y
el alfa interferón, entre
otros.
Estos son producidos
intracelularmente
utilizando células
recombinantes de E. coli
Se caracterizan por
encontrarse en bajas
concentraciones dentro de
la célula, son de elevado
peso molecular, tienen
propiedades similares a
los contaminantes y
requieren un alto grado de
pureza.
El uso de DNA plasmídico
(pDN A ) en terapia génica
y vacunas han fomentado
el desarrollo de
bioprocesos novedosos
para la producción de
pDNA a gran escala
utilizando también E. coli
como célula hospedera
Segunda Generación
(Tejada y Montesinos, 2008).

13. Productos Biotecnológicos
Tipos de Bioprocesos y Bioproductos
3 generaciones
Se caracteriza por bioprocesos
mediante los cuales se
obtienen productos
extracelulares en células
recombinantes, la mayoría de
las cuales son eucarióticas.
En estos sistemas se ha
observado la capacidad no
sólo de producir
exógenamente el producto
deseado, sino que este se
obtiene en forma activa.
El factor V III de la sangre, la
eritropoyetina (EPO)
estimuladora de la formación
de eritrocitos, el agente
trombolítico activador del
plasminógeno tisular (t-PA), los
anticuerpos monoclonales
(mAb) para el tratamiento del
cáncer y las citoquinas como
los interferones α y ß con
actividad antiviral.
Debido a su empleo con fines
terapéuticos, estos productos
deben ser obtenidos con un
alto grado de pureza
Tercera Generación
(Datar et al, 1993).

14. Productos Biotecnológicos
Características de los Bioprocesos y los Bioproductos

15. Productos Biotecnológicos
Propiedades de los Bioproductos
La naturaleza del material inicial,
La localización del producto (si el producto es intracelular o extracelular),
El volumen a procesar y la concentración inicial del producto.
La sensibilidad del producto a factores: temperatura, pH, fuerza iónica,
enzimas degradativas o sustancias químicas.
La forma física, la pureza y los requerimientos de calidad del producto.
El diseño del esquema
de bioseparación de un
producto dado debe
tomar en cuenta:
En el proceso de escalamiento es necesario considerar los volúmenes y normas del mercado para el producto (Nuil, 1987).

16. Productos Biotecnológicos
Operaciones de Bioseparación
Las operaciones de bioseparación
se basan en las diferencias que
existen entre las propiedades
fisicoquímicas de los componentes
presentes en el caldo de cultivo.

17. Productos Biotecnológicos
Operaciones de Bioseparación
Esquema RIPP (Recuperación concentracion, purificacion y acabado)
Recuperacion
(remocion de solidos
y ruptura celular),
concentracion,
purificacion y
acabado).
Esta estrategia
involucra el uso de
operaciones de baja
resolucion en la
recuperacion y
concentracion ( ej.
filtración, extracción)
y operaciones de
alta resolucion para
la purificacion y el
acabado (Ej.
cromatografia,
cristalizacion,
electroforesis).
Esquema típico en operaciones de:

18. Productos Biotecnológicos
Comportamiento del Bioproceso y Calidad del Producto
de Bioseparación
Las especificaciones son
los estándares técnicos,
regulatorios y legales que
el producto debe cubrir de
acuerdo a su uso.
Los aspectos de
rendimiento, pureza y
actividad del producto son
básicos para determinar
la viabilidad de un
bioproceso.

19. Productos Biotecnológicos
Comportamiento del Bioproceso y Calidad del Producto
de Bioseparación
Rendimiento
❑ Las operaciones de bioseparación para
un proceso deben seleccionarse
cuidadosamente con el fin de que el
costo sea mínimo.
❑ Es decir, si el rendimiento por paso es
bajo y se requieren varias pasos, puede
tenerse un bioproceso no viable
económicamente debido a su aún más
bajo rendimiento global

20. Productos Biotecnológicos
Comportamiento del Bioproceso y Calidad del Producto
de Bioseparación
Rendimiento
Ejemplo.
Calculo del rendimiento global de
un esquema de
bioseparacion.

21. Productos Biotecnológicos
Comportamiento del Bioproceso y Calidad del Producto
de Bioseparación
Pureza
❑ Está definido por agencias reguladoras
como la FDA de acuerdo al uso que se
le va a dar al producto.
❑ En el caso de productos para uso
parental en humanos la pureza
requerida es mayor al 99.5 %
generalmente.
Aactividad específica
❑ Una medida de la pureza de un producto es
la actividad.

22. Productos Biotecnológicos
Comportamiento del Bioproceso y Calidad del Producto
de Bioseparación
BPM
Aplicar las BPM, para los métodos,
instalaciones y controles utilizados
para la fabricación, procesamiento,
empaque o manejo de una sustancia,
para asegurar que esta cumpla con
los requerimientos de acción segura,
y que presente la identidad y fuerza,
y cumpla con las características de
calidad y pureza que pretende o
represente tener (L K Biosciences,
2009).
Todos los procedimientos
deben mantenerse dentro de
los limites especificados en los
reportes de validación de la
empresa, para poder
demostrar la reproducibilidad
de la operación y la calidad del
producto final.
En el contexto de la
bioseparaciones, los procesos
de validación comprenden todos
los pasos críticos del proceso,
especialmente las operaciones
con membranas y las
operaciones cromatográficas,
particularmente las empleadas
para remover bacterias y virus
contaminantes
(Kalyanpur,2002).

23. Productos Biotecnológicos
Comportamiento del Bioproceso y Calidad del Producto
de Bioseparación
Instalaciones
ser diseñadas bajo las
normas apropiadas
(HVAC), con gradientes
positivos de presión de
aire y entradas seguras
para el personal.
Las operaciones
secuenciales deben estar
próximas una a la otra
(proximidades de proceso)
para minimizar tiempos y
costos. En recomendable la
segregación de las etapas
del bioproceso para prevenir
la contaminación.
El grado de segregación
depende del número de
productos de la planta
La mayoría de los bioprocesos requieren control microbiológico.

24. Productos Biotecnológicos
Importancia Económica de las Bioseparaciones
La obtención de productos a partir de materiales biológicos generalmente
requiere operaciones de bioseparación apropiadas que son costosas y pueden
ser el factor limitante en el desarrollo del bioproceso (Rito-Palomares, 2008).
Esto es debido principalmente a la baja concentración de producto en los
caldos que entran al proceso de bioseparación y a la alta pureza requerida
por la mayoría de los productos finales (Woodley et al, 2008).
Frecuentemente, la parte correspondiente a las bioseparaciones puede
representar hasta un 60% del costo total de producción sin considerar las
materias primas (Kalk, 1986).

25. Productos Biotecnológicos
Importancia Económica de las Bioseparaciones
Debido a lo anterior, existe una relación inversa entre el precio de venta de un
producto biotecnológico y la concentración de éste en el caldo del biorreactor.
Es obvio que no sólo la concentración del producto en el fermentador
determina el precio, también deben ser consideradas la escala, la
productividad y el rendimiento global de la recuperación.
Puede decirse entonces que el éxito comercial de mi proceso biotecnológico
depende en gran medida de la adecuada selección del esquema de
bioseparación, particularmente conforme el margen de utilidad (precio-costo)
disminuye.

26. Bioprocesos típicos y su volumen en el mercado
✓ El mercado actual de productos biotecnológicos es del orden de miles de millones de dólares
(Demain, 2007).

27. Ver/Sentir/Actuar
Materias Primas

28. Referencias Bibliográficas
Olivares, T. (sf). Diseño y escalamiento de procesos biotecnológicos. Universidad
Autónoma de Baja California. Rastreador.
http://ing.ens.uabc.mx/docencia/apuntes/bioingenieria/Apuntes%20impresos%20D
EPB%20TNOB.pdf
Pérez, N. (2021). Vigilancia Tecnológica E Inteligencia Estratégica (VT-IE)
[Diapositiva Power Point]. Programa Nacional de Innovación
en Pesca y Acuicultura. Aula Virtual
https://aula.pnipa.gob.pe/courses/CURSOSENSIBILIZACIONVTIE/in
dex.php?id_session=0

29. Muchas Gracias
Mg. Ing. Yoner Alito SALAS PASTOR
yasalasp@unc.edu.pe
995161351