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CTB Biorreactores

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biotecnologia

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  • BiotecnologBiotecnologa Industriala IndustrialProducciProduccin industrial de Metabolitos n industrial de Metabolitos

    BiorreactoresBiorreactores

    CONCEPTOS y TECNICAS de CONCEPTOS y TECNICAS de BIOTECNOLOGIABIOTECNOLOGIA

    ((FCEyNFCEyN UBA )UBA )

    Miryan CassanelloPINMATE Dep. Industrias, FCEyN-UBA

    E-mail: [email protected]

  • Estadstica: ao 2002(Fuente: Kent y Riegel, 2007)

    Relevancia econmica de los productos generados industrialmente mediante procesos biotecnolgicos

    Productos Productos biotecnolbiotecnolgicosgicos:: estn en todos los sectores de la

    drogas (genricas y no-genricas)

    productos de belleza

    procesamiento de alimentos para humanos y animales

    procesamiento textil y artculos de limpieza

    aplicaciones industriales: produccin masiva de alcohol

    suplementos nutricionales

    vida diaria:

  • Productos Organismo tpico utilizado Mercado mundial(ton/ao)

    Alcoholes Etanol Saccharomyces cerevisiae 20 millones

    Butanol/acetone Clostridium acetobutylicum 2.000cidosorgnicos

    Acido ctrico Aspergillus niger 230.000Acido glucnico Aspergillus niger 50.000Acido lctico Lactobacillus delbrueckii 20.000

    Aminocidos Acido L-glutmico

    Corynebacterium glutamicum 300.000

    L-lisina Brevibacterium flavum 30.000L-fenilalanina Corynebacterium glutamicum 2.000L-arginina Brevibacterium flavum 2.000

    Antibiticos Penicilinas Penicillium chrysogenum 40.000Cefalosporinas Cephalosporium acremonium 10.000Tetraciclinas Streptomyces aureofaciens 10.000

    Productos obtenidos mediante procesos biotecnolProductos obtenidos mediante procesos biotecnolgicosgicos

    (Fuente: Doran, 1995)(Fuente: Doran, 1995)

  • Producto Organismo tpico utilizado Mercado mundial(ton/ao)

    Enzimas Proteasas Bacillus spp. 600-Amilasa Bacillus amyloliquefaciens 400Glucoamilasa Aspergillus niger 400Glucosa isomerasa Bacillus coagulans 100Pectinasa Aspergillus niger 10

    Polmeros Xantanos Xanthomonas campestris 5.000Dextrano Leuconostoc mesenteroides 200

    Vitaminas B12 Propionibacterium shermanii 10Vacunas Difteria Corynebacterium diphterie < 50 kg/ao

    Ttanos Clostridium tetani PequeaProtenasteraputicas

    Insulina Escherichia coli recombinante < 20 kg/aoInterfern-2 Escherichia coli recombinante 10Hormona de crecimiento

    Escherichia coli recombinante o clulas recombinantes de mamferos

    Pequea

  • BIOTECNOLOGIABIOTECNOLOGIA

    BiotecnologBiotecnologaaROJAROJA

    BiotecnologBiotecnologaaBLANCABLANCA

    BiotecnologBiotecnologaaVERDEVERDE

    BiotecnologBiotecnologaaAZULAZUL

    Biotecnologa BLANCA (o industrial): Aplicacin en la industria en general, productos qumicos, nuevos materiales, biocombustibles, etc.

    Biotecnologa VERDE: Aplicacin en agro-alimentos

    Biotecnologa AZUL: Aplicacin en organismos marinosBiotecnologa ROJA:

    Aplicacin en medicina

    IngenierIngenieraa QuQumicamicaQuQumicamicaBiologBiologaa

    BioquBioqumicamica

  • BIOTECNOLOGIA BIOTECNOLOGIA INDUSTRIALINDUSTRIAL

    Biotecnologa : actividad multidisciplinaria que comprende la aplicacin de los principios cientficos y de la ingeniera al procesamiento de materiales por agentes biolgicos para proveer bienes y servicios. (Definicin de la OECD)

    Agentes biolgicos: clulas microbianas, animales, vegetales y enzimas.

    Bienes: cualquier producto industrial (alimentos, bebidas, productos medicinales, etc.

    Servicios: especialmente los relacionados con la purificacin de aguas y tratamiento de efluentes.

  • Bibliografa libros de textoBioprocess Engineering. Basic concepts, Michael L. Shuler, FikretKargi, Prentice Hall Int. Series, 2nd Ed. 2002.Kent and Riegels Handbook of Industrial Chemistry andBiotechnology, J.A. Kent (Ed.), Chapter 30: Industrial Biotechnology: Discovery to Delivery, G. Chotani, T. Dodge, A. Gaertner, M. Arbige, Springer, 11th Ed. 2007.Principios de Ingeniera de los bioprocesos, Pauline M. Doran, Editorial Acribia S.A, Zaragoza, Espaa. 1995. (Traducido 1998)Biochemical Engineering Fundamentals, James E. Bailey, David. F. Ollis, McGraw-Hill Int. Ed., 2nd. Ed. 1986.Biochemical engineering and biotechnology, Ghasem Najafpour, Elsevier, (2007) ISBN-10: 0444528458; ISBN-13: 978-0444528452Bioreaction Engineering Principles, Jens Nielsen, John Villadsen, Gunnar Lidn. Springer, 2da. Ed. (2005). ISBN-10: 0306473496; ISBN-13: 978-0306473494

  • Bibliografa algunos reprints de biotecnologia industrialXu, J., Ge, X., Dolan, M.C., Towards high-yield production of pharmaceutical proteins with plant cell suspension cultures. Biotechnology Advances 29 (2011) 278299Brennan, L., Owende, P., Biofuels from microalgaeA review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 557577Huang, T-K., McDonald, K.A., Review: Bioreactor engineering for recombinant protein production in plant cell suspension cultures. Biochemical Engineering Journal 45 (2009) 168184Rosche, B., Li, X.Z., Hauer, B., Schmid, A., Buehler, K., Microbial biofilms: a concept for industrial catalysis? Trends in Biotechnology 27 (2009) 636643Lacaze, G., Wick, M., Cappelle, S., Emerging fermentation technologies: Development of novel sourdoughs. Food Microbiology, 24 (2007) 155160Gavrilescu, M., Chisti, Y., Biotechnologya sustainable alternative for chemicalindustry. Research review paper. Biotechnology Advances, 23 (2005) 471499Butler, M., Animal cell cultures: recent achievements and perspectives in the production of biopharmaceuticals. Appl Microbiol Biotechnol, 68 (2005) 283291Kretzmer, G., Industrial processes with animal cells. Appl Microbiol Biotechnol, 59(2002) 135142

  • Objetivo de la produccin industrial de clulas o de

    microorganismos

    Producir las mismas clulas o microorganismos (biomasa) en gran escala

    Producir en gran escala compuestos (intracelulares o extracelulares) resultantes del crecimiento celular (metabolitos)

    Metabolitos Primarios

    Metabolitos Secundarios

  • Metabolitos primariosMetabolitos primarios-Molculas generalmente sencillas, que participan de los caminos metablicos esenciales. Son casi idnticos en todos los organismos.

    -Son ms baratos y sencillos de producir, tienen bajo contenido de actividad biolgica y frecuentemente son commodities

    1. Componentes esenciales de las clulas/microorganismos: protenas, cidos nuclicos, polisacridos (gelanos, xantanos) y polisteres, cidos grasos (insaturados), esteroles.

    2. Derivados del metabolismo intermedio: azcares (fructosa, ribosa, sorbosa), cidos orgnicos (gluconato, cido lctico, ctrico, actico, propinico, succnico, fumrico), alcoholes (xilitol, etanol, glicerol, sorbitol, butanol), aminocidos (Lys, Thr, Glu, Trp, Phe), vitaminas (B2, B12), nucletidos saborizantes (cidos inocnico y guanlico), polisacridos y polisteres de reserva.

    Microorganismos productores: bacterias, levaduras y hongos

  • Metabolitos secundariosMetabolitos secundarios-Molculas mas complejas, que participan de caminos metablicos no-esenciales, pero confieren capacidades de supervivencia en situaciones de stress.

    -Son muy variados y su estructura es fuertemente dependiente de la especie y variedad utilizada para su produccin. Se generan en condiciones particulares y son ms valiosos y complicados de producir alto contenido de actividad biolgica

    -Generalmente son productos especiales (alto precio). Funcionan en los organismos que los producen como:1. Armas contra otros microorganismos (antibiticos, toxinas,

    inhibidores enzimticos, pesticidas)2. Factores de crecimiento (hormonas)3. Ionforos4. Agentes de interaccin microbiana5. Efectores externos

  • PROCESOS BIOTECNOLOGICOS o PROCESOS BIOTECNOLOGICOS o FERMENTACIONESFERMENTACIONES

    Biorreactoro

    Fermentador

    Procesos que se llevan a cabo en un bio-reactor mediante los cuales se transforman los sustratos de un medio de cultivo (materias primas) en metabolitos y/o en biomasa (productos) empleando para este fin microorganismos, clulas o enzimas.

    Operaciones unitarias

    Operaciones unitarias

  • Principales etapas de un proceso biotecnolPrincipales etapas de un proceso biotecnolgico industrial:gico industrial:

    1)Propagacin de cultivos: comienza en un tubo de ensayo o un tubo congelado o liofilizado donde se conserva la cepa de inters, o de una colonia del microorganismo previamente seleccionado. Se propaga en el laboratorio progresivamente aumentando el volumen del medio de cultivo.

    EsterilizacinPreparacin de

    medios

    FermentacinSeparacin

    Purificacin

    Propagacin de los cultivos

    2)Fermentacin: Se prepara el medio de nutrientes y se esteriliza. Se siembra un tanque de inculos cuyo volumen depende de la escala industrial. Vinoculos~50-1000L y Vfermentador industrial~10-1000 m3).

    Tratamiento de efluentes

  • 3)Separacin y purificacin: operaciones mecnicas de ruptura de clulas; separacin de insolubles por filtracin, centrifugacin o sedimentacin; separaciones primarias por extraccin, absorcin, adsorcin, ultrafiltracin; purificacin por extraccin lquido-lquido, extraccin en dos fases acuosas o cromatografa de afinidad; aislamiento y acondicionamiento del producto.

    Principales etapas de un proceso biotecnolPrincipales etapas de un proceso biotecnolgico industrial:gico industrial:

    EsterilizacinPreparacin de

    medios

    FermentacinSeparacin

    Purificacin

    Tratamiento de efluentes

    Propagacin de los cultivos

    4)No tiene relacin directa con el producto pero es una etapa imprescindible por los volmenes involucrados y para preservar el medio.

  • SelecciSeleccin (n (screeningscreening))En la seleccin del microorganismo/clula,