Reactores biológicos 9-2010 Marina.pdf

CONCEPTOS Y TÉCNICAS DE BIOTECNOLOGÍA I
2010
BIORREACTORES
Dra. Marina de Escalada Plá
Biotecnología
• El uso integrado de la ingeniería, la
bioquímica y la microbiología para
conseguir la aplicación tecnológica de las
capacidades de los microorganismos,
células de tejido cultivado y sus partes
(Federación Europea de Biotecnología)
Esencia multidisciplinaria de la
biotecnología
Biotecnología: historia y evolución
• Alimentos y bebidas fermentadas: ej. Cerveza, sumerios 6000 AC y
egipcios 4000 AC.
• Pasteur (1865):
– Etanol, butanol, acetona, glicerol.
– Acidos orgánicos. Ej. Cítrico.
– Tratamiento aerobio de aguas residuales.
• Antibióticos (1940):
– Penicilina:
• Descubrimiento Alexander Fleming (1928).
• 1939 Producción en batch, concentración final alcanzada: 0,001 g penicilina/litro
caldo… sesenta años más tarde alcanzaba los 50 g/l.
– Tecnología de la estructura de la célula animal: vacunas.
• Era post antibióticos (1960-1975):
– Aminoácidos. Proteína celular (SCP). Enzimas (detergentes). Tecnología de
las células y las enzimas inmovilizadas. Tratamiento anaeróbico de aguas de
desecho (biogas). Polisacáridos bacterianos (goma xantán).
• Nueva Biotecnología (1975-…):
– Tecnología de los hibridomas: pruebas diagnósticas con anticuerpos
monoclonales (1980)
– Ingeniería genética (1974).
– Insulina humana (1982)
Bibliografía
• Bioprocess Engineering. Basic concepts.
Michael Shuler & Fikret Kargi. Prentice
Hall International Series.
• Bioprocess Engineering Principles.
Pauline Doran. Academic Press.
Metabolitos primarios
-Moléculas generalmente sencillas, que participan de los caminos
metabólicos esenciales. Son casi idénticos en todos los organismos.
-Son más baratos y sencillos de producir, tienen bajo contenido de
“actividad biológica” y frecuentemente son commodities.
1. Componentes esenciales de las células/microorganismos:
proteínas, ácidos nucléicos, polisacáridos (gelanos, xantanos) y
poliésteres, ácidos grasos (insaturados), esteroles.
2. Derivados del metabolismo intermedio: azúcares (fructosa,
ribosa), ácidos orgánicos (gluconato, ácido láctico,
cítrico, acético, propiónico, succínico, fumárico), alcoholes
(xilitol, etanol, glicerol, sorbitol, butanol), aminoácidos (Lys,
Thr, Glu, Trp, Phe), vitaminas (B2, B12), nucleótidos
saborizantes (ácidos inocínico y guanílico), polisacáridos y
poliésteres de reserva.
Microorganismos productores: bacterias, levaduras y hongos
Metabolitos secundarios
-Moléculas mas complejas, que participan de caminos metabólicos
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 producción. Se generan en
condiciones particulares y son más valiosos y complicados de
producir , alto contenido de “actividad biológica”
-Generalmente son productos especiales (alto precio). Funcionan
en los organismos que los producen como:
- Armas contra otros microorganismos (antibióticos, toxinas,
inhibidores enzimáticos, pesticidas)
-Factores de crecimiento (hormonas)
Reactores Biológicos
Reactores que emplean
enzimas
Homogéneos
Heterogéneos (Enzima inmobilizada)
Equivalente a reactores químicos.
Valen expresiones para reactores homogéneos
Catalizador≡Enzima se desactiva fácilmente con la TºC
Reactores que emplean
microorganismos
Hay que considerar las
limitaciones al transporte
Homogéneos
Heterogéneos
(microorganismos inmobilizados)
Cinética enzimática
G<0→condición
termodinámica.
• Energía de activación: (Ea)
energía necesaria para
formar el complejo
activado.
• Catalizador→disminuye la
Ea al buscar una ruta
alternativa→acelera la
velocidad de reacción
• Enzimas: Catalizadores biológicos →proteínas.
• Deben unirse al substrato para lograr su acción catalítica
mediante:
• Puentes de Hidrógeno.
• Interacciones iónicas
• Interacciones hidrofóbicas o fuerzas de van der Waals
TEMPERATURA: S/Arrhenius a>ºT, >velocidad
OJO!! Con la temperatura de desnaturalización
pH DEL MEDIO: influye sobre la estructura
terciaria de la enzima
La velocidad de una reacción
catalizada por una enzima
depende
Competitivos
INHIBIDORES
No-Competitivos
Acompetitivos
CONCENTRACION DE SUBSTRATO: [S]
a > [S] > posibilidad de unión E-S → favorece la reacción
Ecuación de Michaelis-Menten
[S]>>Km
Se comporta como una
reacción de Orden cero
[S]≈Km
r
VMax [S]
[S ]  Km
[S]<<Km
Se comporta como una
reacción de 1er Orden
VMax [S ]
r
[S ]  Km
VMax: máx velocidad que se puede
alcanzar para una dada concentración.
(saturación). Cuando [E-S]≈[E0]→r ≈ k3 [E0]
= VMax
Km: constante de afinidad de M-M, su
inversa se relaciona con la afinidad
aparente de la enzima por el substrato.
Corresponde [S] para la cual r = VMax/2.
Es independiente de [E0].
Varía con T, pH, fuerza iónica…
Cinética de crecimiento microbiano
Cuantificación del crecimiento.
Modelos cinéticos.
Modelos cinéticos de crecimiento controlados por
sustrato
Modelos cinéticos - Inhibición
• Inhibición por sustrato
• Inhibición por producto
• Inhibición por productos tóxicos
•Competitiva
•No competitiva
•Acompetitiva
Cinética de crecimiento microbiano
Métodos Directos
Métodos Directos
• Turbidimetría con espectrofotómetro
• Volumen de material celular luego de la
centrifugación.
Métodos Indirectos
• Dosaje de componentes celulares (Ej:
dosar nitrógeno o proteína celular.
• Seguimiento de sustrato y/o productos
resultantes de la actividad metabólica.
Bioreactores - Diseño
Batch o discontinuos
• Tiempo muerto (t1):
– Preparación del reactor (esterilización y carga).
– Sembrado
– Recuperación del producto del reactor
• t1 debe considerarse dentro del cálculo de
tiempo de proceso y depende del diseño del
reactor y características del proceso (3-10 hs).
• La mayoría de los batch operan con una
relación Xf/X0 ≈ 10-20.
Reactor batch
•Volumen constante (VR = cte)
•Cerrado para fase líquida: FS = F0 = 0
•La concentración final de biomasa, Xf,
depende del rendimiento y
de la cantidad de sustrato limitante
Cultivos continuos
• Turbidostato
• Quimiostato
• FPI (más utilizado en sistemas
inmovilizados)
Balance de masa
SIN CONSIDERAR METABOLISMO
ENDOGENO
KS  D
S
m  D
X Y
M
X /S
KS  ( D  k d )
S
 m  D  kd
X  YXM/ S  ( S0  S )  (
 ( S0  S )
Con formación de producto
D
)
D  kd
Con formación de producto
KS  ( D  k d )
S
 m  D  kd
KS  D
S
m  D
X  YXM/ S  ( S0  S )  (
EFECTO DEL METABOLISMO
ENDOGENO
D
YXM/ S
D  qP 
YP / S
)
X  YXM/ S  ( S0  S )  (
D
YXM/ S
D  kd  q P 
YP / S
)