Introducción a los Procesos Biotecnológicos. Introducción a la Biotecnología I Hugo Menzella Septiembre de 2010

Transcripción

1 Introducción a los Procesos Biotecnológicos Introducción a la Biotecnología I Hugo Menzella Septiembre de

2 Biotecnología Es la aplicación de los principios científicos y de ingeniería al procesamiento de materiales por agentes biológicos para proveer bienes y servicios 2

3 PRINCIPIOS CIENTIFICOS Y DE LA INGENIERIA: Conjunto muy amplio de disciplinas que ponen especial énfasis en la Microbiología, Bioquímica, Biología Molecular, Genética, Inmunología e Ingeniería Química. 3

4 La Biotecnología Produce Bienes y Servicios Bienes: Todos los productos (alimentos, productos farmacéuticos, insumos industriales, etc.) Servicios: Todo lo relacionado específicamente con las prestaciones (purificación de agua o tratamiento de efluentes, extracción de derrames de petróleo, etc.) 4

5 Producción de bienes Materias primas (bajo costo) + Agente biológico Proceso Producto con valor agregado 5

6 Materiales Materias primas: pueden ser compuestos orgánicos e inorgánicos (Ej. Azúcar) Agentes biológicos: microorganismos, células animales, células vegetales (Ej. Levadura) La levadura convierte el azúcar en alcohol y se obtiene un producto con valor agregado. El proceso biotecnológico permite obtener una ganancia. 6

7 Agentes biológicos Pueden o no estar modificados genéticamente. Ejemplos: Bacterias: E. coli, Streptomyces, Bacillus Hongos: Levaduras, Aspergillus Algas Células animales y vegetales Plantas y animales transgénicos 7

8 Proceso Biotecnológico Es aquel proceso de producción que involucra el uso de un agente biológico. Comprende distintas etapas (operaciones) Estas etapas de manufactura son, esencialmente, similares independientemente del organismo utilizado y del producto buscado 8

9 Etapas del proceso de producción 1- Selección/ optimización del agente biológico 2- Producción del compuesto de interés 3- Recuperación y purificación del producto 4- Terminado 9

10 1- Selección/ optimización del agente biológico Factores a tener en cuenta: Capacidad productora tan alta como sea posible Capacidad de utilizar materias primas de bajo costo (de producción local) Estabilidad del agente biológico: para obtener procesos reproducibles Que no sea patógeno Estos factores pueden incorporarse a un agente biológico mediante el uso de ingeniería genética 10

11 2- Producción del compuesto de interés Se lleva a cabo en bioreactores o fermentadores Son recipientes que proveen las condiciones ambientales propicias (Temp., ph, aireación, etc. ) para que los agentes biológicos puedan crecer y producir las máximas cantidades del compuesto deseado. 11

12 Fermentador tipo tanque agitado A- Inyección de aire B- Difusor C- Eje transmisor D- Motor E- Agitadores F- Controladores G- Salida gases H- Entrada I- Deflectores J- Rompe-espuma K- Camisa L- Salida 12

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16 3- Recuperación y purificación del producto El diseño y la operación eficiente de los procesos de purificación, son elementos vitales para obtener los productos deseados para uso comercial con un precio competitivo Deberían reflejar la necesidad de no perder más que lo absolutamente necesario del producto final El objetivo es recuperar la mayor cantidad de producto con la pureza requerida al menor costo posible 16

17 Recuperación y purificación del producto En general los procesos de purificación involucran la separación inicial de la mezcla de cultivo en una fase líquida y una sólida, con la subsecuente concentración y purificación del producto deseado. Independientemente de la naturaleza del producto, los procesos de purificación utilizan operaciones similares 17

18 Procesos utilizados en la purificación de productos biotecnológicos Centrifugación Homogenización Filtración, micro filtración, ultra filtración Extracción con solventes Adsorción Electroforesis Cromatografías Liofilización 18

19 A.-SEPARACIÓN CELULAR: generalmente es la primera etapa del proceso. Se lleva a cabo por centrifugación o filtración por membrana y se preserva la fracción que contiene el producto: células si el producto es intracelular o caldo si las células excretan el producto al medio de cultivo durante la fermentación 19

20 Centrifugal de discos Separa fases sólida y liquida en un proceso continuo Usa una fuerza centrifuga elevada Los sólidos (mas densos) se desplazan hacia las paredes La fase liquida forma capas concéntricas en el centro 20

21 Separación de células por micro filtración: -Se utilizan filtros tangenciales de cerámica con poros de tamaño adecuado que retienen las células y permiten la salida del liquido - Los sistemas son esterilizables - Los procesos pueden ser continuos o discontinuos 21

22 B- Disrupción de células: - Es el proceso por el cual se produce la ruptura de las células para liberar el producto acumulado en su interior. - Se lleva a cabo utilizando tratamientos químicos o enzimáticos de las células o por métodos físicos (bead mill y homogenización) - La elección del método depende de las características de las células y de la estabilidad del producto 22

23 Bead Mill Rolling beads Cascading beads Cells being disrupted Tambor rotatorio con perlas de vidrio que impactan las células y producen la lisis y liberación del contenido 23

24 Homogeinización Es el método mas utilizado en escala industrial La disrupción se lleva a cabo sometiendo la suspensión de células a alta presión y haciendo pasar la suspensión a través de una válvula 24

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27 C- Captura primaria del producto: - Es el primer paso de purificación donde se busca separar las impurezas mas abundantes y fundamentalmente eliminar el agua para reducir los volúmenes y reducir costos de operación - Se trabaja utilizando el caldo de fermentación si el producto es excretado por las células al medio de cultivo o el producto de la disrupción celular si el producto es intracelular - Los métodos mas utilizados son cromatografías de afinidad y ultra filtración. 27

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29 Ultrafiltración: El principio es similar al utilizado para separa células, solo varia el tamaño del poro de acuerdo al tamaño del producto que quiero retener 29

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32 D- Purificación prop dicha: el procesamiento involucrará más de una etapa para aislar la molécula deseada de otras moléculas presentes en la captura primaria: Destilación Centrifugación Filtración Ultra filtración Extracción con solventes Adsorción Tamices moleculares Electroforesis Cromatografía de afinidad Liofilización 32

33 4- Terminado del Producto Es la etapa final del proceso de producción donde el producto se lleva a su concentración final, se agregan conservantes y se envasa. 33

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36 Escalas de producción La escala de producción es función del mercado del producto 36

37 Escalado de procesos Los procesos biotecnológicos se desarrollan inicialmente en escala de laboratorio. Para esto se usan pequeños fermentadores (0.5-5 L) y sistemas de purificación que luego pueden escalarse. Esto permite evaluar múltiples condiciones en un corto tiempo a un bajo costo ensayando distintas condiciones en fermentadores y sistemas de purificación montados en paralelo Article Twenty-four-well plate miniature bioreactor high-throughput system: Assessment for microbial cultivations Kevin Isett *, Hugh George, Wayne Herber, Ashraf AmanullahMerck & Co., Inc., Merck Research Laboratories, Fermentation & Cell Culture Department, West Point, Pennsylvania, 19486; telephone: ; fax:

38 Escalado de procesos Una etapa critica en el desarrollo de un proceso de producción es el salto de escala Hay procesos que funcionan muy bien en escala de laboratorio y los rendimientos caen en forma marcada al aumentar la escala. Las mermas de rendimiento están ligadas a múltiples factores generalmente relacionados a la transferencia de masa y energía. Ejemplo: los procesos de fermentación generan calor y para que la temperatura en el fermentador permanezca en el valor optimo es necesario refrigerar el fermentador. Refrigerar un fermentador de 1L es fácil pero uno de L es muy complicado. Otro problema es la eliminación de desechos. 38

39 Escalado de procesos Otro problema es que la producción de muchos compuestos es dependiente de el consumo de oxigeno por parte de las células y la capacidad de transferir oxigeno es inversamente proporcional al tamaño del fermentador 39

40 Escalado de procesos Una vez desarrollado un proceso con un rendimiento satisfactorio en escala de laboratorio se realiza el escalado del proceso a una planta piloto (tamaño intermedio entre laboratorio planta de producción) Esto permite evaluar el rendimiento del proceso en una escala intermedia para poder identificar problemas inherentes al cambio de escala antes de invertir en una planta de producción de alto costo Obtener pequeñas cantidades del producto que pueden utilizarse para evaluar su actividad y aceptación en el mercado Evaluar procesos de eliminación de desechos Tomar la decisión final sobre la construcción de la planta de producción o evaluar si puede modificarse una planta pre-existente Entrenar el personal de la planta de producción (errores en escala 100 L son mas baratos que en escala ) 40

41 - No existen en nuestro país profesionales capacitados en el desarrollo de procesos biotecnológicos - En otros países estos desarrollos son llevados a cabo por profesionales con formaciones variadas (ingeniería, biología, etc.) que se especializan en esta disciplina - Es necesaria la capacitación de profesionales capaces de transferir los desarrollos científicos a procesos de producción - Esta área representa una excelente oportunidad para el desarrollo profesional de los egresados de la licenciatura en biotecnología 41