proceso fermentativo para extracción de Penicilina

1. PRODUCCIÓN DE
PENICILINA POR
FERMENTACIÓN
Este proyecto consiste en el análisis del desarrollo de un hongo del tipo
Penicillium para obtener como producto Penicilina G o V.
El desarrollo se lleva a cabo en un reactor de tipo Batch, mediante el proceso
de fermentación, donde se acondiciona el medio y se aplican los nutrientes
necesarios a la cepa, como azúcares, nitrógeno y oxígeno para su óptimo
crecimiento.
La cantidad de producción que se espera es de 1 tonelada de penicilina, del
tipo G o del tipo V, para su futura distribución a laboratorios y hospitales.

2. MARCO TEÓRICO
La penicilina es un antibiótico producido por el crecimiento de un hongo. Este hongo,
del tipo Penicillium, es mantenido inicialmente como esporas, liofilizadas (conservadas
a bajas temperaturas y secadas al vacío) o en nitrógeno líquido, en esta etapa lo que se
desea es mantener el desarrollo vegetativo antes de entrar al siguiente proceso.
En la siguiente etapa, proceso de Fermentación, es donde ocurre el crecimiento de la
cepa. Este proceso se inicia con el desarrollo de las cepas en Erlenmeyer, para luego
pasar a fermentadores de agitación, del tipo Fed- Batch, su volumen está entre 150 –
200 m3
y su agitadores deben tener una potencia mecánica alrededor de 3-4 kW/m3
.
La alimentación de los nutrientes debe ocurrir en forma continua (medios nutritivos
alimentados al fermentador (Ver Apéndice: tabla 1). El proceso se debe mantener a un
pH 6,5 y una temperatura de 25º C durante un tiempo de 180 Hrs. (para más
información de variables operativas Ver Apéndice: tabla 4).
Un perfil tipo del proceso de fermentación se presenta por la ecuación:
PV =P0V 0+∫
t
tf
qp XV dt
Donde:
P=¿ Concentración de penicilina al tiempo, tf
P0=¿ Concentración inicial de penicilina
qp=
1
X
dP
dt
=¿ Velocidad especifica de producción de penicilina [1/mg∙h]
t=¿ Tiempo inoculación
tf=¿ Tiempo de cosecha
V0=¿ Volumen inicial
V=¿ Volumen al tiempo t

3. Esta ecuación mide la cantidad de penicilina obtenida en el fermentador, (PV) es
función de la concentración de células (X), de la velocidad de producción de penicilina
(qp), del tiempo de fermentación (t) y del volumen del medio de cultivo (V). (Ver
Apéndice: Gráfico 1).
Después del proceso de fermentación los productos que salen son la penicilina G o V
las cuales tienen más comercialización en el mercado, pero estos productos salen
inmersos en un caldo. Este caldo está formado no sólo de penicilina, sino también de
micelio (biomasa originada del crecimiento hongo) y producto alimentados en el
reactor. Por eso es necesaria una etapa de separación y purificación para llegar al
producto final.
En el proceso de Separación se consideran las siguientes etapas:
 Filtración: En esta etapa el micelio se separa del caldo que contiene penicilina
utilizando un filtro rotatorio a vacío, luego de la separación el micelio se
recupera y se vende como fuente de proteínas para ganado.
 Extracción por Solvente: La penicilina filtrada se debe extraer muy
cuidadosamente, ya que al menor cambio esta se puede degradar. Por eso lo más
aconsejable es que sea extraída en forma ácida (debido a que son solubles en
muchos solventes orgánicos), usando acetato de amilo o acetato de butilo, para
extraerla con un alto rendimiento.
 Tratamientos con carbón: Para remover pigmentos y otras impurezas, el
solvente que contiene penicilina se trata con carbón activo. Terminado el
tratamiento el carbón es separado del extracto mediante un filtro rotatorio a
vacío recubierto y se lava con un solvente.
 Cristalización: Se adiciona acetato de potasio o sodio, para que la penicilina G
o V sea cristalizado por esas sales. Esta después se lleva a unos filtradores
rotatorios al vacío donde se recolectan los cristales.
 Secado y Limpieza de los cristales: Los cristales de penicilina se limpian con
alcohol isopropílico, alcohol butílico u otro solvente volátil que remueva
impurezas residuales como pigmentos, acetato de sodio o potasio no usado, etc.
Luego de la limpieza se filtran, se lavan con un solvente y se secan con aire
caliente dando como resultado final penicilina G o V.

4. Diagrama de flujo de producción de Penicilina

5. Diagrama de flujo de purificación de penicilina

6. CONCLUSIONES
Para la construcción de una planta de penicilina cuya producción sea de 1 tonelada, se deben
tener en cuenta los siguientes puntos:
 Una cepa que tenga una alta producción de penicilina. La producción depende de la
cepa escogida, si se escoge una cepa mutada en vez de una normal esta tendrá un
mayor rendimiento de producción (ver apéndice: tabla 3). Además se le puede dar
otras cualidades a dichas cepas como soportar otras temperaturas o diferentes rangos
de pH.
 El medio nutritivo afecta el rendimiento de la penicilina (ver apéndice: tabla 4).
Según el medio habrán distintos tipos de rendimiento de penicilina.
Con estas consideraciones se debe elegir:
 Una cepa que tenga una producción de penicilina entre 20 – 25 [kgde penicilina/m3
]
 Uno de los dos modelos de medios nutritivos que se muestran en la tabla 1 (ver apéndice) y
seguir las variables operacionales que aparecen en la tabla 4 (ver apéndice) para tener una
planta que sea capaz de producir más de 1 tonelada de penicilina.
El diseño de la planta debe estar formada por tres etapas: Preparación, Fermentación y
Separación. En la primera etapa la cepa que se compra al laboratorio se prepara para entrar
al fermentador. La segunda etapa consta de fermentadores donde crece la cepa por la
alimentación de los nutrientes, el resultado de ese crecimiento es la producción de
penicilina. La tercera etapa es la extracción de la penicilina del caldo, para esto se utilizan
equipos de filtración y de extracción por solvente para posteriormente ingresar la penicilina
a un cristalizador donde por la adición de iones de Na+
y K+
provoca la cristalización de ésta,
para luego ser purificada y comercializada.

7. APÉNDICE
Gráfico 1. Perfil típico de la concentración en una proceso Fed – Batch de fermentación
de penicilina

8. Tabla 1. Composición de un medio de nutrientes para el crecimiento del micelio.

9. Tabla 2. Experimentos Fed- Batch que aumentan el rendimiento de penicilina.

10. Tabla 3. Programa de desarrollo de cepas. Resultados de laboratorio Panlabs.

11. Tabla 4. Variables operacionales.