1era Presentacion de Bioingenieria

7/23/2019 1era Presentacion de Bioingenieria

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GENERALIDADES DELOS PROCESOS

BIOTECNOLOGICOS


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Biotecnologa

Es la aplicacin de los principios cientfcosy de ingeniera al procesamiento demateriales por agentes biolgicos paraproveer bienes y servicios.

Es aquel proceso de produccin queinvolucra el uso de un agente biolgico.


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La Biotecnologa ProduceBienes y Servicios

Bienes Todos los productos(alimentos, productos armacuticos,insumos industriales, etc.)

Servicios Todo lo relacionado

especfcamente con las prestaciones(purifcacin de agua o tratamiento deeuentes, e!traccin de derrames depetrleo, etc.)


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4Producci!n de "ienes


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5#ateriales

#aterias $ri%as pueden ser compuestosorg"nicos e inorg"nicos (E#. $%&car)

Agentes "iol!gicos microorganismos,clulas animales, clulas vegetales (E#.'evadura)

'a levadura convierte el a%&car en alcool y seobtiene un producto con valor agregado,adem"s que este proceso biotecnolgicopermite obtener una ganancia.


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6Agentes "iol!gicos

ueden o no estar modifcadosgenticamente. E#emplos*

+acterias* E. coli, treptomyces, +acillus-ongos* 'evaduras, $spergillus$lgas

lulas animales y vegetaleslantas y animales transgnicos


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7Proceso Biotecnol!gico

omprende distintas etapas (operaciones), estas etapas de son,esencialmente, similares independientemente del organismoutili%ado y del producto buscado.

&'( Selecci!n) o$ti%i*aci!n del agente "iol!gico

e debe buscar actores que caractericen a los m.o. industriales.Estos actores pueden incorporarse a un agente biolgicomediante el uso de ingeniera gentica

+'( Producci!n del co%$uesto de inter,s

e lleva a cabo en bioreactores o ermentadores


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8Proceso Biotecnol!gico

-'( Recu$eraci!n y $uri.caci!n del $roducto

El ob#etivo es recuperar la mayor cantidad de producto

con la pure%a requerida al menor costo posible.

/'( Ter%inado

Es la etapa fnal del proceso de produccin donde elproducto se lleva a su concentracin fnal, se agreganconservantes y se envasa.


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APLICACIONES DE LABIOTECNOLOG0ATiene cuatro grandes ramas, designadas con

colores*

LA BIOTECNOLOG0A 2ERDEEs aquelladedicada a dar productos y servicios en el"rea agroalimentaria. $puntan a reali%ar losproductos m"s atractivos para quien los

consume, que tardan m"s en degradarse, queson m"s sabrosos o que pueden darnos m"snutrientes.

LA BIOTECNOLOG0A A34L e ocupa de la

aplicacin de mtodos moleculares ybiolgicos a los organismos marinos y de aguadulce. Tiene como fn aumentar la oerta deproductos del mar y la seguridad y el controlde la prolieracin de microorganismosnocivos transmitidos por el agua.


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LA BIOTECNOLOG0A RO5A omprende las

aplicaciones teraputicas, diagnsticas, de saludanimal y de investigacin biomdica. 'o que sepersigue es curar, no con drogas sinteti%adas enun laboratorio sino con sustancias producidas porprocesos biolgicos a nivel celular o pororganismos vivos como bacterias.

LA BIOTECNOLOG0A BLANCA +uscareempla%ar a las tecnologas contaminantes porotras m"s limpias o amigables con el ambiente.+"sicamente, emplea organismos vivos y en%imaspara obtener productos m"s "ciles de degradar, yque requieran menos energa y generen menosdesecos durante su produccin.


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LOS #ICROORGANIS#OS

CO#O REACTORES 640#ICOS


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Los #icroorganis%os

'a defnicin de microorganismo consideraque es un organismo microscpico constituidopor una sola clula o agrupacin de clulas.e consideran como tales a las bacterias, los

ongos (levaduras y ongos flamentosos muypeque/os), e incluye tambin a los virus.

'E0$123$ HONGOS +$TE34$


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Clasi.caci!nde #icroorganis%osSeg7n su 8uente de Car"ono

$uttroos* carbono inorg"nico. -etertroos* carbono org"nico.

Seg7n su 8uente de Energa 5uimitroos* energa qumica. 6ottroos* energa solar (lu%).

Seg7n su Estructura rocariontes* no poseen n&cleo ni organelo Eucariontes* poseen n&cleo y organelos.


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La 9er%entaci!nEl proceso com&n que interviene en laabricacin del pan, el vino y los quesos(por citar slo algunos alimentos), es laermentacin que reali%an losmicroorganismos presentes en la materia

prima.En el sentido biolgico la ermentacin esun proceso de obtencin de energa en

condiciones anaerbicas (ausencia deo!geno) que puede generar como productofnal "cido l"ctico (ermentacin l"ctica, porlas bacterias "cido7l"cticas) o etanol

(ermentacin alcolica por levaduras).


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Reacciones "iol!gicas

'a reaccin de la ermentacin l"ctica sera*Glucosa7777777778 :cido L;ctico < energa ol accaromyces cerevisiae puedetraba#ar bien en medios alcolicos como lo son losmostos transorm"ndose en vino, aunque no resistee!tremos.


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BIOREACTORES @

BIOCATALI3ADORES


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2n biorreactor es por un dispositivo biotecnolgico

que debe proveer internamente un ambientecontrolado que garantice y ma!imice la producciny el crecimiento de un cultivo vivo9 esa es la partebiolgica

E!ternamente el biorreactor es la rontera queprotege ese cultivo del ambiente e!terno*contaminado y no controlado

El biorreactor debe por tanto suministrar loscontroles necesarios para que la operacin oproceso (bioproceso) se lleve a cabo con economa,alto rendimiento (productividad) y en el menor

tiempo posible9 esa es la parte tecnolgica.

6ue es un "iorreactor


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Clasi.caci!n o$erativa

El modo de operacin de un sistema de cultivo, essinnimo del modo de operar del birreactor oermentador. >ste no solo inuye en el dise/opropio del reactor, tambin, en el modelo cintico

de crecimiento del cultivo y en el proceso deproduccin.

Clasi.caci!n de los "iorreactores


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Discontinuoe coloca dentro del biorreactor la carga totalde cada proceso (tanda o lote) de cultivo o ermentacin ypara luego de#ar que se lleve a cabo el proceso productivo o

la ermentacin por el tiempo que sea necesario9 el cu"l sedenomina tiempo de retencin.

Se%icontinuo * e alimenta una lnea de entrada oalimentacin para que el sistema de cultivo tenga unproducto (biomasa) con m"!imo de crecimiento(e!ponencial) y aumente la productividad.

Continuo ui%ioestatoF e alimenta una lnea deentrada o alimentacin y se drena una lnea de salida olavado9 de manera que los u#os o caudales de ambas lneas

sean iguales y la produccin sea continua.

E?isten tres %odos";sicos de o$eraci!n


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Clasi.caci!n Biol!gica

'os sistemas biolgicos deben interaccionar con el ambientee!terno para poder crecer y desarrollarse9 es por eso que los

biorreactores se clasifcan biolgicamente de acuerdo almetabolismo procesal del sistema de cultivo*

Anaer!"ico Equipos dedicados a m.o. de metabolismodegradativo (+acterias)9 estos m.o. son autnomos y

nutricionalmente independientes9 sus clulas no respiran, encambio, utili%an vas alternas, donde una molcula org"nica,producida durante el proceso metablico, es utili%ada comoaceptor de electrones, en un proceso bioqumico conocidocomo respiracin o!idativa9 esta molcula es reducida a

producto org"nico en un proceso com&nmente denominadoermentacin.

lasi.caci!n de los Bioreactores


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8acultativo* 3eactores ambivalentes, dedicados a m.o.que tienen la capacidad de vivir o sobrevivir entre

ambientes* aerbico y anaerbico9 son m.o. demetabolismo mi!to por lo que, pueden tanto degradar(catabolismo) como construir (anabolismo) materiaorg"nica, a partir de dierentes sustratos, tantoorg"nicos como inorg"nicos. ese a su versatilidad, sus

mayores representantes son microorganismos quepresentan relaciones par"sitas o simbiontes tales como*ongos y levaduras, por lo que no son muy e!tensos.

Aer!"ico 3eactores dedicados a m.o. y clulas querespiran9 por lo que su metabolismo es constructivo ydeben obtener sus nutrientes de dierentes uentes. usprincipales grupos est"n representados por* bacterias ymicroorganismos aerbicos, plantas y animales9 cuyasclulas se puedan cultivar en suspensiones celulares o

bien, en dierentes arreglos artifciales o modifcadas.


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CATALI3ADORES2n catali%ador es una sustancia (ompuesto o elemento ) capa% deacelerar (catali%ador positivo ) o retardar (catali%ador negativo oinibidor ) una reaccin qumica, permaneciendo este mismo

inalterado (no se consume durante la reaccin). $ este proceso sellama cat"lisis.

En el mundo natural ay catali%adores biolgicos o biocatali%adores, lomas importante son las en%imas, de naturale%a proteica aun quetambin e!iste "cidos ribonucleicos denominados ribo%imas

'os catali%adores pueden ser de dos tipos*

=o%og,neos'( uando los catali%adores est"n en la misma aseque los reactivos.

=eterog,neos o de contacto'( uando los catali%adores est"n en

distintas ases que los reactivos


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2n biocatali%ador es un catali%ador de las reaccionesbioqumicas de los seres vivos. e consideranbiocatali%adores las en%imas, las ormonas y las vitaminas.

2n biocatali%ador reduce la energa de activacin de unareaccin qumica, aciendo que sta sea m"s r"pida o m"slenta. ada reaccin qumica en un ser vivo, ya sea unicelularo multicelular, requiere la presencia de uno o m"s

biocatali%adores (en%imas), pues si no e!istieran stasocurriran en desorden total.

Biocatali*adores


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'as en%imas son loscatali%adores biolgicosque acilitan las

reacciones qumicas quetienen lugar en los seresvivos. in ellas lasreacciones qumicasseran tan lentas que la

vida se detendra

En*i%as


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En*i%as ue se e%$lean endi9erentes $rocesos de la industriaali%enticia

IND4STRIA EN3I#AS 4SOS

L;ctea Tripsina. 'actasa

Enmascara el gusto a !ido.6abricacin de lece delactosada,evita la cristali%acin de lece

concentrada.

6uesera5uimosina(renina). 'actasa.'ipasa

oagulacin de las protenas dela lece (casena). 4nuencia enel sabor y aceleracin de lamaduracin.

=elados 'actasa. ?lucosa7isomerasa

Evita la te!tura @arenosaA

provocada por la cristali%acin.ermite la utili%acin de #arabesde alta ructosa.

C;rnicasapana. 6iscina.+romelina

$blandamiento de carnes.roduccin de idroli%ados.


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IND4STRIA EN3I#AS 4SOS

Pani.caci!n

$milasa. roteasa.'ipo!idasa.'actasa


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ESTE64IO#ETRIA DE

CRECI#IENTO CEL4LAR @DE LA 8OR#ACION DEPROD4CTOS


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CRECIMIENTO DE MICROORGANISMOS

El estudio cintico de los reactores nos permiteconocer el volumen y u#o de operacin y es porello que se ace necesario contar con modelosmatem"ticos que describan el crecimiento yCoormacin de productos en un cultivo del queconocemos su curva de crecimiento.


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CICLO DE CRECIMIENTO DE

POBLACIONES

En un cultivo bacteriano en medio lquido, se puedendierenciar cuatro ases en la evolucin de los par"metros quemiden el crecimiento microbiano*


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POBLACIONES

&'( 8ase lago de ada$taci!n

Es la ase durante la que los microorganismos adaptansu metabolismo a las nuevas condiciones ambientales (de

abundancia de nutrientes) para poder iniciar el crecimientoe!ponencial.

+'(8ase e?$onencial o logart%ica

En ella la velocidad de crecimiento es m"!ima y el tiempo degeneracin es mnimo. 1urante esta ase las bacteriasconsumen los nutrientes del medio a velocidad m"!ima.


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POBLACIONES

-'(8ase estacionaria

'as clulas en ase estacionaria desarrollan un metabolismodierente al de la ase de e!ponencial y durante ella se produce

una acumulacin y liberacin de metablicos secundarios quepueden tener importancia en el curso de las inecciones ointo!icaciones producidas por bacterias.

/'(8ase de %uerte

e produce una reduccin del n&mero de bacterias viables delcultivo.'as ases, par"metros y cintica de crecimiento discutidas parael caso de los medios lquidos se presentan tambin en los

slidos.


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La esteuio%etria es dea$licaci!n en "io$rocesos ue

$er%ite:. El balance de masa y energa

D. 1eterminar el rendimiento terico y

compararlo con el rendimiento actual delproducto.

. equear la consistencia de datos de la

ermentacin e!perimental

=. 6ormulacin del medio de nutrientes.


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CARACTERISTICAS DE UN M.O.

INDUSTRIAL

:.72n microorganismo de uso industrialdebe producir la sustancia de inters

D.7.71ebe estar disponible en cultivo puro9

(a!nico)

.71ebe ser genticamente estable

=.71ebe crecer en cultivos a gran escala.

F.7 Gtra caracterstica importante es que elmicroorganismo industrial cre%car"pidamente

H.7rodu%ca el producto deseado en uncorto perodo de tiempo.


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CARACTERISTICAS DE UN

M.O. INDUSTRIAL

I.7El microorganismo debe tambin creceren un relativamente barato medio decultivo disponible en grandes cantidades.

;.7 $dem"s, un microorganismo industrialno debe ser patgeno para el ombre opara los animales o plantas.

J.7Gtro requisito importante es la acilidadde separar las clulas microbianas delmedio de cultivo9 la centriugacin esdifcultosa o cara a gran escala.

8ACTORES 80SICOS @ 640#ICOS


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8ACTORES 80SICOS @ 640#ICOS64E IN8L4@EN EN ELCRECI#IENTOTe%$eratura ada microorganismo tiene una temperaturade crecimiento adecuada. i estudiamos la variacin de lavelocidad de crecimiento en uncin de la temperatura decultivo, E!iste una temperatura mnima por deba#o de la queno ay crecimiento9 a temperaturas mayores se produce unincremento lineal de la velocidad de crecimiento con latemperatura de cultivo asta que se alcan%a la temperaturaptima a la que la velocidad es m"!ima. or encima de estatemperatura ptima, la velocidad de crecimiento decaebruscamente y se produce la muerte celular

Tipos de microorganismos en uncin de sus temperaturas de

crecimiento mnima, m"!ima y ptima


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Actividad de agua e denomina actividad de agua a larelacin entre la presin de vapor de agua del substrato decultivo () y la presin de vapor de agua del agua pura (K).

uando un microorganismo se encuentra en un substratocon una actividad de agua demasiado ba#a, su crecimientose detiene. Esta detencin del crecimiento no suele llevarasociada la muerte del microorganismo, sino que ste semantiene en condiciones de resistencia durante un tiempo

m"s o menos largo.

'a gran mayora de los microorganismos requiere unosvalores de actividad de agua muy altos para poder crecer.1e eco, los valores mnimos de actividad para dierentestipos de microorganismos son, a ttulo orientativo, lossiguientes*

+acterias aL 8K.JK,'evaduras aL8K.;F,-ongos flamentosos aL8K.;K


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$= Es un par"metro crtico en el crecimiento demicroorganismos ya que cada tipo de

microorganismo slo puede crecer en un rangoestreco de p- uera del cual muerenr"pidamente'

El p- interno en la mayora de los microorganismoest" en el rango de H.K a I.K.

'os rangos de p- tolerables por dierentes tipos de

microorganismos son, tambin, distintos. -aymicroorganismos acidflos que pueden vivir ap-M:.K y otros alcalflos que toleran p-M:K.K


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Potencial redo? indica la capacidad delsubstrato para aceptar o donar electrones, esto es*sus caractersticas o!idantes o reductoras. 2no de

los actores que intervienen en el potencial redo!,aunque no el &nico, es la concentracin deo!geno NGDO.

En general, cuando un microorganismo requiereun ambiente o!idante se dice que desarrolla unmetabolismo o!idativo (o respirativo) mientras quelos microorganismos que requieren ambientesreductores (o menos o!idantes) reali%an unmetabolismo ermentativo.

or otra parte, ay microorganismos que puedendesarrollar ambos tipos de metabolismo. Esto es*en presencia de o!geno desarrollan un


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8or%ula del %edio y

9actores de rendi%iento


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8!r%ula e%$rica $ara c,lulas%icro"ianas

En :JFH, una de las primeras rmulas empleadas pararepresentar clulas microbianas ue F-IGDP, duranteun estudio de tratamiento biolgico de aguas residualesque contenan casena.

$ctualmente se sabe que las proporciones m"sicas decada elemento varan de*


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La ta"la siguiente %uestra di9erentes9!r%ulas e%$ricas $ara el $roceso de%etanog,nesis a $artir de distintos sustratos'


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Rendi%iento y creci%iento%icro"iano

El crecimiento de la clula es un enmeno muy comple#o, se

puede tener una descripcin del mismo de manera sencilla.'a ecuacin com&nmente usada es la de


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Rendi%iento y creci%iento%icro"iano onsiderando que el rendimiento microbiano se encuentra

en relacin con las velocidades de aparicin y desaparicinde las dierentes especies, de manera una ve% caracteri%adoel comportamiento de una de ellas, se puedan obtener las

dem"s.

or lo tanto los rendimientos se defnen como la relacinentre el producto obtenido y el sustrato consumido(usualmente la uente de carbono y energa). or e#emplo el

rendimiento celular se defne como*

Q y representan la concentracin de biomasa y sustratores ectivamente.


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Rendi%iento y creci%iento%icro"iano En la pr"ctica, para el c"lculo del R!Csse emplea la

e!presin*

i adem"s de microorganismos se orma alg&n producto enparticular, el rendimiento en producto estar" dado por*


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e a encontrado que la composicin elemental de

un microorganismo dado durante un cultivo no semodifca mayormente, lo que es m"s lascomposiciones elementales de distintos tipos demicroorganismos (bacterias y ongos) sonseme#antes.

1e este modo se puede defnir un SmicroorganismopromedioS como aqul cuya composicin es (pCp)*

M =H.F pCp- M H.=J pCp

K M :.K pCp M


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Teniendo en cuenta la composicin media anterior, esposible escribir la Srmula mnimaS de un

microorganismo promedio como*

En la que est" representado el JF pCp de la biomasa y

con fnes netamente pr"cticos defnir Sun 7mol debiomasaS como la cantidad de biomasa que contieneun "tomo gramo de arbono.


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uesto que los rendimientos est"n reeridos a : 7

mol de uente de arbono y energa, resulta

'a sumatoria del rendimiento de la biomasa,rendimiento del producto deseado y rendimientode GD debe ser igual a la unidad.

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