Biotecnología

y Farmacia

Ms.C. Q.F. Alfredo Bernard Claudio Delgado

¿Qué es Biotecnología?

Utilización industrial de seres vivos (enzimas)

para obtener sustancias de interés.

La biotecnología es tan antigua como la

misma Civilización:

Los egipcios usaban pan con moho (hongo)

para tratar heridas infectadas.

La fabricación de bebidas fermentadas: Vino,

Cerveza, Sake, Chicha de jora, etc.

Fermentación

Cambios químicos en las sustancias

orgánicas producidos por la acción de

las enzimas.

Esta definición general incluye

prácticamente todas las reacciones

químicas de importancia fisiológica.

¿Reconocen estos Productos?

Penicillium

Aspergillus Níger

Productor Especie Producto

Levaduras Sacharoyces cerevisae

Yarrowia lipolytica

Trichosporum cutaneum

Levadura seca

Alcohol, Vino, Cerveza

Acido Cítrico

Oxidación de compuestos

Vitamina B, proteínas

Hongos

filamentosos

Aspergillus niger

Penicililum

Claviceps purpurea

Vitamina C

Penicilina

Alcaloides (cornezuelo del centeno)

Bacterias Bacillus sp.

Corynebacterium

glutamicum

Streptomyces sp.

Clostridium

acetobutylicum.

Gluconobacter y

Acetobacter

Antibióticos (gramicidina, bacitracina,

polimixina), proteasas e insecticidas

Fuente industrial de Lisina

Anfotericina B, kanamicina, neomicina,

estreptomicina, tetraciclina, etc.

Fuente de acetona y butanol

Productores de Ac.Acético

En la Industria

La biotecnología permite producir a menor costo que la síntesis química.

Insumos menos costosos, incluso materiales de desecho (melaza, desechos orgánicos, minerales traza).

La producción en organismos vivos se ha multiplicado, principalmente por la modificación genética, multiplicación de genes productores o inserción de nuevos genes por plásmidos...

Ventajas y Desventajas

Se pueden producir moléculas complejas como proteínas.

Mayor rendimiento.

Se trabaja a temperaturas bajas, pH cercano al neutro.

Reacciones específicas.

Se puede lograr isómeros de utilidad.

Fácil contaminación.

Produce mezclas.complejas y requiere operaciones de separación.

Utiliza grandes volumenes de agua.

Son procesos lentos.

Evolución de la Biotecnología

Hace 20 o 30 años:

Biotecnología Farmacéutica era la

obtención de fármacos o drogas a partir

de sustratos naturales usando

microorganismos.

Actualidad:

Es el desarrollo del ADN Recombinante y

su aplicación industrial.

Biotecnología:

ADN Recombinante

El ADN Recombinante

Producto Proceso Clásico Proceso Biotecnológico

Insulina Páncreas de

cerdos, bovinos

Células o microorganismos

productores especializados.

Factor VIII

Coagulación

Sangre de

porcinos,

equinos

Células o microorganismos

productores

Vacunas Microorganis-

mos atenuados

Producción de PARTES de la

estructura patógena (no

desarrolla la enfermedad)

Comprende métodos y técnicas donde se manipulan

genes de organismos de especies diferentes.

Hay 5 grupos de fermentación

comercialmente importante:

1. Producción de biomasa como producto

final.

Lactobacilus reconstituyentes de la flora

intestinal (Floratil, Enterogermina, Infloran,

Lactocereal, etc.), levadura de

panificación,

Cultivos concentrados para inóculos, etc.

2. Producción de biomasa para extracción de

enzimas :

Amilasa, proteasas, pectinasas, isomerasa de la glucosa, cellulasas,lipasas, lactasas,

estreptokinasas, etc.

3. Obtención de Metabolitos :

Metabolitos Primarios : Etanol, Acido Cítrico,

glutámico, lisina, vitaminas, polisacáridos, etc.

Metabolitos secundarios : todos los antibióticos

por fermentación.

4. Productos Recombinantes:

Usa microorganismos modificados

genéticamente: Insulina, Interferón,

Estreptokinasa.

5. Biotransformaciones o síntesis:

Se logran oxidaciones, reducciones, insertar grupos funcionales, hidrolizar, esterificar, etc.

Transformación de esteroides, hormonas, obtención de saborizantes, aromatizantes

orgánicos.

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Producción de bienes

Materias primas (bajo costo) +

Agente biológico

Proceso (bajo costo)

Producto con

valor agregado

Biorreactores Son recipientes en el que se lleva a cabo un proceso

químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos.

Estos biorreactores son

comúnmente cilíndricos,

usualmente fabricados

en acero inoxidable.

Busca mantener condiciones

ambientales propicias (pH,

temperatura, concentración de

oxígeno, etcétera) al organismo o

sustancia química que se cultiva.

Fermentadores de vino o cerveza

Biorreactor de

Tanque Agitado

En función al flujo:

1. Lote o Discontinuo (Batch).

2. Lote alimentado o Semicontinuo (Feed-Batch).

3. Continuo o quimiostato.

Fases de la Fermentación

Producción biomasa,

metabolitos primarios

No crecimiento,

Metabolitos secundarios

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A- Inyección de aire

B- Difusor

C- Eje transmisor

D- Motor

E- Agitadores

F- Controladores

G- Salida gases

H- Entrada

I- Deflectores

J- Rompe-espuma

K- Camisa

L- Salida

Fermentador tipo tanque agitado

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Procesos utilizados en la purificación de

productos biotecnológicos

Centrifugación

Homogenización

Filtración, micro filtración, ultra filtración

Extracción con solventes

Adsorción

Electroforesis

Cromatografías

Liofilización

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A.-SEPARACIÓN CELULAR:

Generalmente es la primera etapa del proceso. Se

lleva a cabo por centrifugación o filtración por

membrana y se preserva la fracción que contiene

el producto: células si el producto es intracelular o

caldo si las células excretan el producto al medio

de cultivo durante la fermentación

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Centrifugal de discos

• Separa fases sólida y liquida en un proceso continuo

• Usa una fuerza centrifuga elevada

• Los sólidos (mas densos) se desplazan hacia las paredes

• La fase liquida forma capas concéntricas en el centro

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B- Disrupción de células:

- Es el proceso por el cual se produce la ruptura de las células para liberar el producto acumulado en su interior.

- Se lleva a cabo utilizando tratamientos químicos o enzimáticos de las células o por métodos físicos (bead mill y homogenización)

- La elección del método depende de las características de las células y de la estabilidad del producto

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Bead Mill

Cascading

beads

Cells being

disrupted

Rolling

beads

Tambor rotatorio con perlas de vidrio que impactan las

células y producen la lisis y liberación del contenido

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Homogeinización

Es el método mas utilizado en escala

industrial

La disrupción se lleva a cabo sometiendo

la suspensión de células a alta presión y

haciendo pasar la suspensión a través de

una válvula

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C- Captura primaria del producto:

- Es el primer paso de purificación donde se busca separar

las impurezas mas abundantes y fundamentalmente

eliminar el agua para reducir los volúmenes y reducir

costos de operación

- Se trabaja utilizando el caldo de fermentación si el

producto es excretado por las células al medio de cultivo

o el producto de la disrupción celular si el producto es

intracelular

- Los métodos mas utilizados son cromatografías de afinidad

y ultra filtración.

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Ultrafiltración:

El principio es similar al utilizado para separa células,

solo varia el tamaño del poro de acuerdo al tamaño del

producto que quiero retener

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D- Purificación prop dicha: el procesamiento involucrará más de una etapa para aislar la molécula deseada de otras moléculas presentes en la captura primaria:

Destilación

Centrifugación

Filtración

Ultra filtración

Extracción con solventes

Adsorción

Tamices moleculares

Electroforesis

Cromatografía de afinidad

Liofilización

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4- Terminado del Producto

Es la etapa final del proceso de

producción donde el producto se lleva a

su concentración final, se agregan

conservantes y se envasa.

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Escalado de procesos Los procesos biotecnológicos se desarrollan inicialmente en escala de

laboratorio. Para esto se usan pequeños fermentadores (0.5-5 L) y

sistemas de purificación que luego pueden escalarse.

Esto permite evaluar múltiples condiciones en un corto tiempo a un

bajo costo ensayando distintas condiciones en fermentadores y

sistemas de purificación montados en paralelo

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Escalado de procesos

Una etapa critica en el desarrollo de un proceso de producción es el

salto de escala

Hay procesos que funcionan muy bien en escala de laboratorio y los

rendimientos caen en forma marcada al aumentar la escala. Las

mermas de rendimiento están ligadas a múltiples factores

generalmente relacionados a la transferencia de masa y energía.

Ejemplo: los procesos de fermentación generan calor y para que la

temperatura en el fermentador permanezca en el valor optimo es

necesario refrigerar el fermentador. Refrigerar un fermentador de 1L es

fácil pero uno de 100.000 L es muy complicado. Otro problema es la

eliminación de desechos.

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Escalado de procesos Otro problema es que la producción de muchos compuestos es

dependiente de el consumo de oxigeno por parte de las células y la

capacidad de transferir oxigeno es inversamente proporcional al

tamaño del fermentador

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Escalado de procesos Una vez desarrollado un proceso con un rendimiento satisfactorio en

escala de laboratorio se realiza el escalado del proceso a una planta

piloto (tamaño intermedio entre laboratorio planta de producción)