DESARROLLOS PARA LA INDUSTRIA DE BIOPROCESOS

Transcripción

1 DESARROLLOS PARA LA INDUSTRIA DE BIOPROCESOS Juan Carlos Gentina M. Escuela de Ingeniería Bioquímica P. Universidad Católica de Valparaíso V Encuentro Regional y XXVI Congreso Interamericano de Ingeniería Química Montevideo, 12 al 14 de noviembre de 2012.

2 Contenido: Los bioprocesos La célula como agente de transformación Productos de fermentación Etapa de recuperación de productos Ingeniería de fermentaciones

3 MATERIA PRIMA PRETRATAMIENTO TRANSFORMACION RECUPERACION PRODUCTO

4 Bioproceso Transformación biológica Proceso enzimático Proceso de fermentación

5 MATERIA PRIMA PRETRATAMIENTO RECUPERACION PRODUCTO

6 Preparación de medio y esterilización Fermentador Pretratamiento del caldo Recuperación y concentración de producto Purificación Inóculo Upstream processing Downstream processing

7 Importancia de los bioprocesos Aportes en: Salud Alimentación Medio ambiente Tecnologías limpias: Bajo consumo energético Materias primas renovables Residuos biodegradables

8 Algunas fechas relevantes 1670 Se descubren los m.o Se destruye la teoría de generación espontánea 1900 Se descubre AN en las células 1928 Se descubre la penicilina 1943 Producción comercial de penicilina 1944 ADN contiene las características genéticas 1953 Se postula la estructura del ADN 1973 Bases de la recombinación genética 1977 Métodos de secuenciación de genes (virus) 1980 Primer producto recombinante 1995 Primer procarionte secuenciado (H. influenzae) 2003 Secuenciación del genoma humano completa

9 Etapas de la industria de fermentaciones Primer tercio sxx Células nativas Procesos anaerobios Bajo control de la asepsia Segundo tercio sxx Células mutadas Procesos aerobios Control de la asepsia Tercer tercio sxx Células recombinantes Biofármacos Producción de PENICILINA

10 MICROBIOLOGÍA INGENIERIA DE PROCESOS QUIMICA

11 La célula como agente de transformación Qué hace atractivo su uso? Gran diversidad de productos Enorme disponibilidad de células en la naturaleza POCAS MATERIAS PRIMAS CELULA GRAN DIVERSIDAD PRODUCTOS METABOLISMO

12 Materias primas Nutrientes Fuente de carbono Fuente de energía Fuentes de elementos químicos Factores esenciales BIOMASA GLUCOSA S. cerevisiae ETANOL

13 Tipos de células MICROBIANAS ANIMALES VEGETALES BACTERIAS LEVADURAS MOHOS MICROALGAS ARQUEAS MAMIFEROS INSECTOS HUMANAS

14 Rol transformador de la célula P N P P N N N P N P P N N

15 NO SOBREPRODUCEN AGENTES DE TRANSFORMACION EFICIENCIA ECONOMIA CONTROL METABOLICO MUTACION RECOMBINACION

16 Factores ambientales El rol transformador de la célula se ve afectado por el medio ambiente ph Temperatura Especies químicas Osmolaridad Fuerza iónica Potencial redox

17 Productos de fermentación Acidos orgánicos Alcoholes y solventes Amino ácidos Antibióticos Alimentos fermentados Biofármacos Enzimas Esteroides modificados Insecticidas biológicos Metano Nucleótidos Polisacáridos Promotores crecimiento Proteína unicelular Recuperación metales Vacunas Vitaminas Otros

18 Tipos de productos Sin actividad biológica Con actividad biológica Intracelulares Espacio periplásmico Extracelulares

19 Preparación de medio y esterilización Producto extracelular Separación celular Fermentador Pretratamiento del caldo Recuperación y concentración de producto Purificación Inóculo Upstream processing Producto intracelular Rompimiento celular Remoción de desechos celulares Downstream processing

20 Característica Sector I Sector II Sector III Nivel de producción (Kg/año) Alto Medio Bajo Organismo Microorganismo seleccionado Mutado y DNA recombinantes Cultivos celulares y DNA recombinantes Pureza requerida Baja % Media % Alta % Eficiencia de recuperación Margen de ganancia (% del precio de venta) Costo de recuperación / Costo de producción Costo de recuperación / (C. de prod. + C de desarrollo) % % 5 50 % % % Sobre el 95 %

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22 Diseño de la fermentación Objetivo: Entregar las condiciones nutricionales y ambientales que requieren las células para su correcta expresión fisiológica Conocimiento del comportamiento de las células en general y de las características relevantes del agente de transformación a utilizar en particular ESTRATEGIA DE FERMENTACIÓN

23 Variables de operación Control de temperatura Control de ph Agitación Aireación Diseño del equipo Modalidad de operación Medio de cultivo

24 Tipo de fermentadores Tanque agitado Columna Tubular

25 Modalidades de cultivo LOTE Discontinuo Nutriente limitante Sin control sobre µ QUIMIOSTATO F, S 0 F S X Continuo Nutriente limitante Control sobre µ LOTE ALIMENTADO F, S F Discontinuo Nutriente limitante Control sobre µ

26 Condiciones de fermentación Medio de cultivo Demanda de nutrientes Transferencia de O 2 Demanda de O 2 Transferencia de calor Calor de fermentación ESTERILIDAD

27 En resumen: Selección o desarrollo de cepa Estrategia a nivel laboratorio Desarrollo estrategia en fermentador Escalado a nivel comercial Validación estrategia escala piloto

28 GRACIAS POR SU ATENCION!!!!!

29 Bioprocesos en Chile Sector productivo: Levaduras de panificación Vino, cerveza, aguardientes Vacunas humanas y veterinarias Vinagre Vegetales y lácteos fermentados Producción de cobre Sector servicios: Tratamientos de aguas, gases y sólidos

30 Incipiente industrias de base biotecnológicas Pocas patentes en el rubro Políticas nacionales para la innovación y desarrollo industrial: Fondos concursables Apoyo a tesis de postgrado Inserción de doctores en la industria

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