Ingeniería de Biorreactores I: conceptos y herramientas básicas

UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA DE MÉXICO

Programa de la asignatura: Ingeniería de biorreactores I

U1 Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

DCSBA BIOTECNOLOGÍAU1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

Biorreactores. Conceptos y herramientas básicos

Biorreactor de pie / piloto. Tomado de. http://www.directindustrv.es/prod/inoxpa/product-66392- Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 2U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

Índice

Presentación. ... 4 Competencia específica a desarrollar 4 Propósitos de la unidad 5 1.1 Introducción 7 1.1.1 Biorreactores: generalidades 8 1.1.2 Microorganismos y células en la industria 12 1.1.3 Enzimas y sistemas celulares como catalizadores 16 1.2 Teoría de la Catálisis Enzimática 19 1.2.1 Biotransformación y biocatálisis 20 1.2.2 Cinética de los procesos microbiológicos 23 1.2.3 Cinética enzimática 26 1.2.4. Mecanismo de reacción enzimática 32 1.3 Factores que influyen la actividad enzimática 34 1.3.1 Especificidad 36 1.3.2 Desnaturalización 40 1.3.3 pH 42 1.3.4 Temperatura 43 1.3.5 Inhibición 44 1.3.6 Inmovilización de enzimas 50 1.4 Modelos matemáticos para el diseño de biorreactores 53 Actividades 55 Autorreflexiones 56 Cierre de unidad 56 Para saber más 57 Fuentes de consulta 59 Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 3U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

Presentación de la unidad

En esta primera unidad revisaremos los conceptos más importantes de la ingeniería en biorreactores, qué es un biorreactor o fermentador, cuál es su función y sus principales características. Identificarás los componentes biológicos y estructurales de algunos de los tipos de biorreactores y analizarás el papel de la cinética enzimática en los procesos de biotransformación y de biocatálisis. Revisarás y estudiarás los factores que afectan la actividad de las enzimas y como lo hacen. Reconocerás los modelos matemáticos de crecimiento que proporcionarán las bases para analizar el comportamiento del crecimiento microbiano y posteriormente aplicar este conocimiento a los procesos que se llevan a cabo en los biorreactores.

Competencia específica a desarrollar

SER SABER CONOCER Analizar la cinética enzimática, para distinguir la actividad de las enzimas en la biocatálisis y biotransformaciones, mediante la revisión de modelos matemáticos utilizados en el diseño de biorreactores. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 4U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

Propósitos de la unidad

1. Identificar los elementos que componen un biorreactor.
2. Identificar las características de la Teoría de la Catálisis Enzimática.
3. Explicar los procesos enzimáticos que se dan en un biorreactor.
4. Distinguir las aplicaciones de las ecuaciones de diseño en biorreactores.
5. Identificar los factores que influyen en la cinética enzimática.

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Ruta de aprendizaje: ¿ Qué debo aprender en esta unidad ?

Unidad 1: Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

#1 Explicar el concepto de biorreactor y sus componentes #2 Identifica las características de la teoria de la catálisis enzimática. #4 #3 Identificar la importancia de los microorganism os en los biorreactores. Explicar los procesos enzimáticos que se dan en un biorreactor. #5 #6 Distinguir los diferentes factores que influyen en la cinética enzimática. Reconoce la importancia de los modelos de crecimiento microbiano. powered by P PIKTOCHART Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 6U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

1.1 Introducción

En la actualidad las transformaciones biológicas de la materia o biotransformación junto con sus bioprocesos son de gran interés y se han convertido en indispensables para la elaboración de varios productos industriales de los ramos alimenticio, farmacéutico, energético, etc. Estos bioprocesos se llevan a cabo en equipamientos específicos denominados biorreactores o fermentadores. Más adelante se explicarán con detenimiento qué son estos equipamientos.

Biotransformación

Serie de eventos fisiológicos de un organismo (unicelular o pluricelular) para modificar las sustancias tanto endógenas como exógenas y transformarlas en metabolitos que puedan ser reabsorbidos y excretados. (OSMAN, 2015).

Enlaces

Debes tomar en cuenta los conocimientos que has adquirido en las asignaturas Bioquímica, Balances de materia y energía, así como en la de Fenómenos de transporte. Ahora podrás aplicar y relacionar lo aprendido a los procesos que se llevan a cabo dentro de un biorreactor. Asimismo, esta asignatura te proporcionará las bases teóricas para las siguientes asignaturas como son Ingeniería de Biorreactores II e Ingeniería de Bioprocesos I y II. A continuación, analizarás con mayor profundidad lo que es un biorreactor y conocerás cuáles son las características principales que posee. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 7UT Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

1.1.1 Biorreactores: generalidades

El diseño y análisis de un biorreactor depende del conocimiento de la cinética de las reacciones biológicas y de los balances de materia y energía. En la práctica, este proceso se hace muy complejo debido a la naturaleza de la catálisis biológica y del caldo de fermentación, los cuales pueden variar con el tiempo y presentar patrones cinéticos y de flujo muy complejos. Además, debemos considerar que los procesos de transferencias de masa y calor añaden complejidad al problema.

Biorreactor o fermentador

Un biorreactor o fermentador es el centro de todo proceso biotecnológico. Su función principal es proveer un ambiente controlado para alcanzar el máximo de crecimiento microbiano y/o para la formación óptima de productos. Además, el fermentador tiene como objetivo garantizar una condición estéril que permita únicamente el cultivo de la especie biológica de interés (Galindo et al., 2008). Los biorreactores o fermentadores pueden variar ampliamente en el tamaño, las dimensiones de este dependerán del proceso y operación que se lleve a cabo en él, así que encontramos aquellos que pueden ir de 0.1-10 l que son los que se utilizan comúnmente en los laboratorios, estos permiten un mayor control del bioproceso en un espacio reducido (Figura 1), por ejemplo, los que se emplean en el cultivo de microalgas para la producción de biodiesel. También encontramos fermentadores industriales con una capacidad de hasta 400,000 l en los cuales el objetivo es obtener la mayor cantidad de un producto determinado, resultado de un bioproceso (Figura 1), por ejemplo, los utilizados en la industria cervecera. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 8U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

Figura 1. Fermentador: Laboratorio e Industrial.

Tomado de: https://www.sartorius.es/es/productos/laboratorio/biorreactores- fermentadores/http://www4.ujaen.es/~ecastro/proyecto/equipos.html En la figura 2 se observa un ejemplo donde se representan las diferentes etapas de un bioproceso, en este caso el de producción de anticuerpos por medio de un fermentador. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 9U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

Célula de mamífero

A Fermentador 1.000 litros 11 B Gen de anticuerpo Moléculas de anticuerpos -CONTROL Caldo de anticuerpos C Columna de perlas de resina cubiertas con niticuerpos que se unen I proteinis Y D Anticuerpos lavados kas las perlas de resina

Figura 2. Biorreactor o fermentador. Esquema de un fermentador utilizado para la producción masiva de anticuerpos monoclonales humanizados.

Tomado de: Creces Educación. www.creces.cl Un ingeniero en biotecnología debe ser capaz de seleccionar, diseñar y optimizar un biorreactor, por lo que es necesario identificar su estructura, así como reconocer que este es el recipiente en donde se promueve el crecimiento del microorganismo para la síntesis de diversos productos biotecnológicos, así como identificar los componentes físicos de los biorreactores o fermentadores (Figura 3). Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 10U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

Motor

PH Controlador de pH Vapor Sello estéril Contenedor y bomba de ácido/base Desecho Impulsor I Salida de agua de enfriamiento Chaqueta Mezcla de cultivo Entrada de agua de enfriamiento Distribuidor de burbujas de aire Aire estéril Vapor Descarga

Figura 3. Principales componentes de un biorreactor o fermentador.

Tomado de: Lázaro, 2013. Cabe aclarar que no todos los fermentadores tienen los mismos componentes o la misma estructura, la cual estará definida de acuerdo al tipo de bioproceso que se llevará a cabo. Los criterios más importantes para el diseño de un biorreactor pueden resumirse del siguiente modo (Ruiz-Leza et al., 2007): Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 11U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas

Criterios para el diseño de un biorreactor

• El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días y así evitar la aparición de contaminantes en las operaciones de bioprocesos de larga duración.
• Debe permitir una mayor área de contacto entre las fases biótica y abiótica del sistema, es decir, se debe proporcionar un medio adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos.
• El consumo de energía debe ser el mínimo.
• Debe poseer entradas para la adición de nutrientes y el control de pH.
• El crecimiento microbiano es generalmente exotérmico, por lo que el biorreactor debe facilitar la transferencia de calor, del medio hacia las células y viceversa, a medida que se produce el crecimiento celular, además de mantener estable la temperatura deseada.
• Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
• Suministrar oxígeno a una velocidad que satisfaga el consumo del mismo por parte del microorganismo.
• El diseño del fermentador debe permitir mantener el cultivo puro; Además de los elementos físicos que componen un biorreactor, es necesario considerar el componente biológico de estos: los microorganismos.

1.1.2 Microorganismos y células en la industria

Cotidianamente consumimos alimentos y bebidas como el pan, el queso, el vino, la cerveza, etc. que son el resultado de la utilización de biorreactores y de la actividad de microorganismos. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 12