Logo Studenta

Reactores biologicos 9 2010 Marina

Vista previa del material en texto

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
Reactores que emplean 
microorganismos
Homogéneos
Homogéneos
Heterogéneos (Enzima inmobilizada)
Equivalente a reactores químicos.
Valen expresiones para reactores homogéneos
Catalizador≡Enzima se desactiva fácilmente con la TºC
Heterogéneos
(microorganismos inmobilizados)
Hay que considerar las
limitaciones al transporte
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 
La velocidad de una reacción 
catalizada por una enzima 
depende
TEMPERATURA: S/Arrhenius a>ºT, >velocidad
OJO!! Con la temperatura de desnaturalización
pH DEL MEDIO: influye sobre la estructura 
terciaria de la enzima
INHIBIDORES
Competitivos
No-Competitivos
Acompetitivos
CONCENTRACION DE SUBSTRATO: [S] 
a > [S] > posibilidad de unión E-S → favorece la reacción
Ecuación de Michaelis-Menten
r
V S
S K
Max
m
 
[ ]
[ ]
r
V S
S K
Max
m
 
[ ]
[ ]
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…
[S]<<Km
Se comporta como una
reacción de 1er Orden
[S]>>Km
Se comporta como una
reacción de Orden cero
[S]≈Km
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
S
K D
D
S
m
  S
K D k
D k
S d
m d
   
( )

SIN CONSIDERAR METABOLISMO
ENDOGENO
EFECTO DEL METABOLISMO
ENDOGENO
X Y S S
D
D kX S
M
d
    / ( ) ( )0X Y S SX S
M  / ( )0
Con formación de producto Con formación de producto
S
K D
D
S
m
 
S
K D k
D k
S d
m d
   
( )

X Y S S
D
D q
Y
Y
X S
M
P
X S
M
P S
   
 
/
/
/
( ) ( )0 X Y S S
D
D k q
Y
Y
X S
M
d P
X S
M
P S
   
  
/
/
/
( ) ( )0

Otros materiales