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.
Contenido: •Los bioprocesos •La célula como agente de transformación •Productos de fermentación •Etapa de recuperación de productos •Ingeniería de fermentaciones
Se descubren los m.o. Se destruye la teoría de generación espontánea Se descubre AN en las células Se descubre la penicilina Producción comercial de penicilina ADN contiene las características genéticas Se postula la estructura del ADN Bases de la recombinación genética Métodos de secuenciación de genes (virus) Primer producto recombinante Primer procarionte secuenciado (H. influenzae) Secuenciación del genoma humano completa
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
MICROBIOLOGÍA
INGENIERIA DE PROCESOS
QUIMICA
1928
1941
1944
La célula como agente de transformación ¿Qué hace atractivo su uso? Gran diversidad de productos Enorme disponibilidad de células en la naturaleza
POCAS MATERIAS
GRAN CELULA
PRIMAS
DIVERSIDAD PRODUCTOS
METABOLISMO
Materias primas
Nutrientes
Fuente de carbono Fuente de energía Fuentes de elementos químicos Factores esenciales
BIOMASA GLUCOSA
S. cerevisiae ETANOL
Tipos de células BACTERIAS LEVADURAS MOHOS
MICROBIANAS
MICROALGAS ARQUEAS
ANIMALES
HUMANAS
VEGETALES MAMIFEROS INSECTOS
Rol transformador de la célula P
N
N P
P
N N P N
P
P
N
N
NO SOBREPRODUCEN
EFICIENCIA AGENTES DE TRANSFORMACION
ECONOMIA
CONTROL METABOLICO
MUTACION RECOMBINACION
Factores ambientales El rol transformador de la célula se ve afectado por el medio ambiente
pH Temperatura Especies químicas Osmolaridad Fuerza iónica Potencial redox
Productos de fermentación Acidos orgánicos
Metano
Alcoholes y solventes
Nucleótidos
Amino ácidos
Polisacáridos
Antibióticos
Promotores crecimiento
Alimentos fermentados
Proteína unicelular
Biofármacos
Recuperación metales
Enzimas
Vacunas
Esteroides modificados
Vitaminas
Insecticidas biológicos
Otros
Tipos de productos Sin actividad biológica Con actividad biológica
Pretratamiento del caldo Producto intracelular Rompimiento celular
Remoción de desechos celulares
Upstream processing Downstream processing
Purificación
Característica
Sector I
Sector II
Sector III
Nivel de producción (Kg/año)
Alto 10 – 109
Medio 103 – 105
Bajo 0.1 - 102
Microorganismo seleccionado
Mutado y DNA recombinantes
Cultivos celulares y DNA recombinantes
Pureza requerida
Baja 70 – 99 %
Media 90 – 99 %
Alta 99.95 – 100 %
Eficiencia de recuperación
90 – 100 %
50 – 90 %
5 – 50 %
Margen de ganancia (% del precio de venta)
10 –50 %
50 – 80 %
Sobre el 95 %
Costo de recuperación / Costo de producción
0.1 – 0.2
0.3 – 0.7
0.5 – 0.9
Costo de recuperación / (C. de prod. + C de desarrollo)
0.1 – 0.2
0.1 – 0.5
0.01 – 0.2
Organismo
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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
Variables de operación 9Control de temperatura 9Control de pH 9Agitación 9Aireación 9Diseño del equipo 9Modalidad de operación 9Medio de cultivo
Tipo de fermentadores
Tanque agitado Columna Tubular
Modalidades de cultivo •Discontinuo •Nutriente limitante •Sin control sobre µ
LOTE
F, S0
QUIMIOSTATO
F S X
F, SF
LOTE ALIMENTADO
•Continuo •Nutriente limitante •Control sobre µ
•Discontinuo •Nutriente limitante •Control sobre µ
Condiciones de fermentación Medio de cultivo
Demanda de nutrientes
Transferencia de O2
Demanda de O2
Transferencia de calor
Calor de fermentación
ESTERILIDAD
En resumen:
Selección o desarrollo de cepa
Estrategia a nivel laboratorio Desarrollo estrategia en fermentador
Escalado a nivel comercial
Validación estrategia escala piloto
GRACIAS POR SU ATENCION!!!!!
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
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