reactores biologicos 9-2010 marina
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CONCEPTOS Y TÉCNICAS DE BIOTECNOLOGÍA I2010
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 labiotecnología
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 caminosmetabólicos 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) ypoliésteres, 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), nucleótidossaborizantes (ácidos inocínico y guanílico), polisacáridos ypoliésteres de reserva.Microorganismos productores: bacterias, levaduras y hongos
Metabolitos secundarios
-Moléculas mas complejas, que participan de caminos metabólicosno-esenciales, pero confieren capacidades de supervivencia ensituaciones de stress.-Son muy variados y su estructura es fuertemente dependiente de laespecie y variedad utilizada para su producción. Se generan encondiciones particulares y son más valiosos y complicados deproducir , alto contenido de “actividad biológica”-Generalmente son productos especiales (alto precio). Funcionanen 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 laslimitaciones al transporte
Cinética enzimática
� G<0→condición termodinámica.
• Energía de activación: (Ea)energía necesaria paraformar el complejoactivado.
• Catalizador→disminuye la Ea al buscar una rutaalternativa→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
rV S
S KMax
m
[ ]
[ ]
rV S
S KMax
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]<<KmSe comporta como unareacción de 1er Orden
[S]>>KmSe comporta como unareacción 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
• 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.
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)
SK D
DS
m
SK D k
D kS d
m d
( )
SIN CONSIDERAR METABOLISMOENDOGENO
EFECTO DEL METABOLISMOENDOGENO
X Y S SD
D kX SM
d
/ ( ) ( )0X Y S SX S
M / ( )0
Con formación de producto Con formación de producto
SK D
DS
m
SK D k
D kS d
m d
( )
X Y S SD
D qYY
X SM
PX SM
P S
//
/
( ) ( )0 X Y S SD
D k qYY
X SM
d PX SM
P S
//
/
( ) ( )0
