Crecimiento biológico y bioprocesos: etapas y procesos con células

Bioprocesos y Crecimiento Biológico

Tema 3: Crecimiento biológico. Etapas. Procesos con células. 2024/25 Grado en Biotecnología David González Miranda UAX 1Bioprocesos Los bioprocesos buscan la producción de materiales y productos químicos a través del empleo de sistemas biológicos, buscando siempre la mayor rentabilidad del proceso (económicamente). Los bioprocesos han de constar de un análisis previo del contexto y de los medios disponibles, para así determinar la viabilidad aparente del proceso. Se realiza un árbol de análisis para la propuesta y diseño preliminar de los bioprocesos. UAX 1Materiales y productos químicos objetivo

• ¿Productor nativo?
• ¿Producción satisfactoria?
• ¿Ruta metabólica en la naturaleza?
• ¿Ruta en la célula huésped para modificar?
• ¿Ruta metabólica homóloga? Biología de sistemas
• ¿Existencia de enzimas para las rutas deseadas? Ingeniería metabólica de sistemas Ingeniería evolutiva Biología sintética Expresión heteróloga Evolución de enzimas Creación de enzimas nuevas Desarrollo y optimización del bioproceso
• ¿Bioproceso rentable? Bioproducción rentable de materiales y productos químicos 1 UAXBioprocesos Los bioprocesos implican la creación de nuevos productos de origen biológico o la sustitución de procesos convencionales por procesos biocatalíticos (generalmente con mayor sostenibilidad y eficiencia). El uso de enzimas en procesos biocatalíticos se puede dar en sistemas monoenzimáticos o multienzimáticos. Estos últimos precisan de la necesidad de cofactores en algunas etapas de la transformación (precisando regeneración). Esto hace que los procesos sean más complejos. Algunos ejemplos en la producción de productos de interés son: la producción de biopolímeros como el xantano (Xanthomonas campestris) o el alginato (Azotobacter vinelandii), así como la producción enzimática de biodiésel o la utilización de enzimas hidrolíticas (proteasas, lipasas, celulasas ... ). Hay que tener en cuenta todos los factores que tienen influencia en la transformación biocatalítica, desde las materias primas y su acondicionamiento hasta los productos finales y su purificación, considerando también todas las interacciones posibles entre los distintos elementos implicados UAX 1Bioprocesos Hay un par de par de parámetros clave que permiten estudiar el desempeño del proceso son: Rendimiento (%) y productividad (gP/Lh). Rendimiento (%) = max x 100 Csinicial Productividad gp Lh -) = Cp max t max LCp Desarrollo del proceso Variables
• Estado de la célula
• Composición del medio de cultivo Influencia
• Condiciones de operación (T, agitación, oxígeno, pH .... ) UAX 1Bioprocesos: Estapas del desarrollo Definimos cuatros etapas principales que en el desarrollo de los bioprocesos:
• Selección del microorganismo/ enzima
• Optimización de la producción a escala de la laboratorio
• Cambio de escala a nivel de planta piloto
• Escalado final a un proceso industrial En aquellos procesos con enzimas, las etapas que conciernen al microorganismo implican la producción y el aislamiento de la/s enzima/s a emplear de este. UAX 1Bioprocesos: Estapas del desarrollo Mantenimiento y conservación de cepas Microorganismo
• Preparación de inóculo Producción a escala de laboratorio
• Composición del medio
• Concentración inicial de sustratos
• Modelo cinético de la reacción Condiciones de operación (T, pH ... ) .
• Estudio de transferencia materia (oxígeno) Modelo físico Cambio de escala a planta piloto
• Estudio estrés hidrodinámico Proceso industrial Simulación a mayor escala Modelo macrocinético Experimentación a mayor escala Sí No 1 UAX -Caracterización del microorganismo En una primera etapa, se debe llevar a cabo el mantenimiento y la conservación de las células del microorganismo en condiciones óptimas, así como la optimización de las condiciones de operación para la preparación del inóculo industrial (desarrollo del microorganismo) Mantenimiento Preinóculo Inóculo Biorreactor 1 UAXCaracterización del microorganismo Se debe realizar un estudio de la metodología de cultivo óptima para su conservación. La composición del medio para el inóculo puede ser distinta de la empleada para el crecimiento, así como las condiciones de operación (pH, T, agitación ... ). Se establece así un banco de conservación de la cepa y se desarrolla a su vez un protocolo que permite la reproducibilidad de desarrollo del microorganismo durante la preparación del inóculo industrial. Mantenimiento Preinóculo Composición del medio, T, pH, N Inóculo Composición del medio, T, pH, N, concentración inicial de biomasa Biorreactor 1 UAXCaracterización del microorganismo En los procesos industriales, los microorganismos se cultivan en distintos biorreactores, inoculándose de unos a otros alrededor del 1% del total generalmente. Durante el proceso de cambio de preinóculo a inoculo y después a biorreactor, se puede modificar de forma gradual la composición del medio para adaptarlo a sus condiciones finales de crecimiento. Mantenimiento Preinóculo Inóculo Biorreactor 1 UAXDesarrollo del proceso a escala de laboratorio Es necesario determinar las condiciones óptimas de operación, así como la composición óptima del medio de cultivo para la producción de aquellos compuestos de interés. Se estudia la concentración del producto, rendimiento y la productividad del bioproceso cuando se efectúa bajo distintas condiciones. Generalmente, los parámetros a optimizar dentro del desarrollo del proceso a escala de laboratorio son: la composición del medio, la temperatura, el pH y la agitación y el control durante la biorreación. UAXDesarrollo del proceso a escala de laboratorio A) Composición del medio: A partir del medio de cultivo estándar utilizado durante las etapas de caracterización y conservación de la cepa, se debe desarrollar un medio de cultivo industrial óptimo. Este medio industrial debe ser el óptimo tecno-económico; debe buscarse reemplazar aquellos componentes del medio de mayor coste y/o eliminar aquellos componentes sin influencia sobre la productividad. Los componentes de mayor coste pueden reemplazarse por alternativas más baratas, habitualmente subproductos o residuos industriales. De modo general, la cantidad añadida de estos productos sustitutivos se determina a efectos de conservar los ratios C/N (y/o P) en el medio de cultivo final. Por ello, se suelen precisar cantidades mayores de estos sustratos alternativos. De este modo se precisa evaluar un análisis de costes para cada materia prima posible a emplear en el proceso, comparándolo con el estudio de productividad y rendimiento en función de la composición de cultivo. UAXDesarrollo del proceso a escala de laboratorio B) Temperatura: La temperatura óptima de crecimiento se conoce de antemano, no obstante conviene realizar un estudio de influencia de temperatura con la velocidad de crecimiento, productividad y rendimiento del bioproceso. La temperatura final seleccionada será aquella que maximice la productividad y el rendimiento (pues el crecimiento puede ralentizarse pero no así la producción del compuesto de interés) y minimice los costes asociados a la calefacción. C) pH: De modo análogo a la temperatura, se deben estudiar aquellas condiciones de pH que maximizan ya no el desarrollo del microorganimo, sino la producción del compuesto de interés. D) Agitación: Resulta indispensable para evitar los fenómenos difusionales en el medio de cultivo (especialmente la cantidad de oxígeno disponible). Los niveles excesivos de agitación, en cambio, pueden producir daño celular (el propio daño físico o debido a la aireación en algunas ocasiones). Se debe analizar, entonces, la influencia de la potencia de agitación frente a la productividad y rendimiento. UAXDesarrollo del proceso a escala de laboratorio Las condiciones de operación durante el tiempo de reacción pueden variar, especialmente el pH, que se puede mantener en un valor estable mediante el uso de tampones o por la adición de un agente de control (ácidos/bases), así como dejarse evolucionar libremente o mezclar ambas estrategias. Por otro lado, la posibilidad de modificar (incrementar/disminuir) la temperatura/agitación con el tiempo también puede en algunas ocasiones mejorar la productividad o rendimientos del proceso. UAXModelización de bioprocesos Tras definir la composición óptima y las condiciones de operación favorables en un bioproceso, se procede a diseñar el bioproceso en sí. Hay que identificar en esta etapa de diseño aquellos fenómenos clave del bioproceso, que nos permitan elaborar un modelo matemático predictivo del comportamiento del sistema. El modelo elaborado se puede emplear posteriormente para diseñar el bioproceso, permitiendo el dimensionado de los equipos. Los modelos matemáticos más simples son aquellos que contemplan al microorganismo como un único todo, sin considerar la estructuración o evolución en el tiempo (modelos no estructurados). No se consideran tampoco los distintos estados en los que las células se pueden encontrar, considerando que todas las células en el bioproceso se comportan como un individuo promedio con idénticas características (modelos no estructurados). Estructuración P, biomasa, mantenimiento C, N, O2 Biomasa No estrucurado y no segregado Segregación UAXModelización de bioprocesos En los modelos no segregados, no estructurados se considera una serie de productos, consumidos por la biomasa, que repercuten en la producción de la biomasa y del producto de interés, así como son consumidos para el mantenimiento metabólico del organismo (energía). Las reacciones de producción de biomasa y productos de interés se pueden acoplar en una sola reacción o separadas en diferentes reacciones. El consumo de sustratos para el mantenimiento celular se modela como una ecuación aparte. Estructuración P, biomasa, mantenimiento C, N, O2 Biomasa No estrucurado y no segregado Segregación UAXDesarrollo de modelos de reacción Por la complejidad que presenta todo bioproceso, hay que determinar experimentalmente los parámetros del mismo. Todo modelo incluye una parte referida a la cinetica del proceso, el modelo cinético, así como un modelo físico, que analiza los fenómenos de transferencia de materia y transmisión de calor. Modelo cinético Se parte de la propuesta de un modelo cinético que se fundamenta en la fenomenología y el conocimiento del bioproceso y, a partir de ahí, se proponen las ecuaciones cinéticas del proceso. Luego, se desarrollan múltiples experimentos, que, a través del ajuste estadístico de los datos a las ecuaciones propuestas en el modelo cinético, permite obtener los parámetros del modelo. Tras obtener los parámetros cinéticos, se puede comprobar la bondad del ajuste propuesto (si el ajuste del modelo a la realidad es satisfactorio o precisa de modificaciones que permiten un mejor ajuste de los datos experimentales. El modelo cinético estudia la evolución de la composición del medio en función de la concentración inicial de sustratos y las condiciones de operación (T, pH ... ). UAX