DESARROLLOS PARA LA INDUSTRIA DE BIOPROCESOS

DESARROLLOS PARA LA INDUSTRIA DE BIOPROCESOS Juan Carlos Gentina M. Escuela de Ingeniería Bioquímica P. Universidad Católica de Valparaíso V Encuentr

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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

MATERIA PRIMA

PRETRATAMIENTO TRANSFORMACION RECUPERACION PRODUCTO

Bioproceso

Transformación biológica

Proceso enzimático Proceso de fermentación

MATERIA PRIMA

PRETRATAMIENTO

RECUPERACION

PRODUCTO

Preparación de medio y esterilización

Fermentador

Pretratamiento del caldo

Recuperación y concentración de producto

Inóculo

Upstream processing

Downstream processing

Purificación

Importancia de los bioprocesos Aportes en: Salud Alimentación Medio ambiente

Tecnologías limpias: Bajo consumo energético Materias primas renovables Residuos biodegradables

Algunas fechas relevantes 1670 1864 1900 1928 1943 1944 1953 1973 1977 1980 1995 2003

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

Intracelulares Espacio periplásmico Extracelulares

Separación celular

Preparación de medio y esterilización

Producto extracelular

Fermentador Inóculo

Recuperación y concentración de producto

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

6

_

_

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

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