Procesos biológicos

Tipos de Bioprocesos

• Los tipos de bioprocesos incluyen:
  • Procesos "upstream"
  • Biorreacciones
  • Procesos "downstream"

Bioproceso

• Consiste en una serie de etapas que involucran el uso de células (animales, vegetales, microbianas o fúngicas).
• Su objetivo es producir bienes o servicios.
• Se utiliza en productos biotecnológicos como:
  • Medicamentos (antibióticos y vacunas).
  • Alimentos o bebidas (cerveza, vino, vinagre, queso o yogur).
  • Biocombustible.

Upstream Process

• Incluye la esterilización y preparación del medio de cultivo.
• Involucra la producción en un biorreactor.

Downstream Process

• Incluye la separación sólido-líquido (separación celular).
• Involucra la recuperación y concentración.
• Comprende el acondicionamiento del producto y métodos de alta resolución.

Principales bioprocesos

• Los principales tipos de bioprocesos son:
  • Fermentación.
  • Tratamientos enzimáticos.
  • Separación.
  • Concentración.
  • Purificación.

Fermentación

• Proviene del latín "fervere", que significa hervir.
• Es un proceso catabólico de oxidación incompleta.
• No requiere oxígeno, y produce un compuesto orgánico.
• Se define como Catabolismo (de moléculas complejas a simples).

Tipós de Fermentación

• Los tipos de fermentación varían según el producto final:
  • Alcohólica: Produce alcohol, utilizada por levaduras.
  • Láctica: Produce ácido láctico, utilizada por bacterias lácticas y células musculares.
  • Acética: Produce ácido acético, requiere oxígeno y es realizada por Acetobacter.
  • Butírica: Produce ácido butírico, realizada por Clostridium.
  • Butanodiólica: Produce butanodiol, realizada por enterobacterias.
  • Propiónica: Produce ácido propiónico.

Fermentación alcohólica

• Hongos microscópicos unicelulares se dividen por gemación.
• Ejemplo: Saccharomyces cerevisiae.

###Fermentatión láctica

• Bacterias ácido lácticas producen ácido láctico.
• Bacterias ácido lácticas se emplean en la industria de alimentos.
• Ejemplo: Lactobacillus bulgaricus.

Tratamientos Enzimáticos

• Las enzimas son proteínas especializadas catalizan reacciones.
• Aceleran la velocidad de una reacción química.
• Transforman moléculas en productos específicos.
• Actúan a temperaturas moderadas y presión atmosférica.
• Se utilizan ampliamente en la industria alimentaria, de detergentes, productos químicos, farmacéutica y de diagnóstico.
• El mecanismo de acción de las enzimas se conoce desde finales del siglo XIX e inicios del XX.
• Las técnicas de ADN recombinante, genómica y proteómica se utilizan en su producción y estudio.

Producción de enzimas

• Proceso que incluye:
  • Fermenter broth.
  • Separation.
  • Biomass.
  • Cleaned broth.
  • Membrane Concentration.
  • Retentate.
  • Final Filtration.
  • Filtrate.
  • Drying.
  • Filtrate.
  • Powder Enzyme.
  • Liquid Enzyme.

Aplicaciones de las enzimas en los alimentos

Otras aplicaciones: producción de biodiesel

• Aceites vegetales.
• Transesterificación (lipasas inmovilizadas).
• Metanol (CH3OH).
• Biodiesel (CH30-C-R).
• Glicerol(CH-OH).

Etapas en los procesos Downstream

Separación (Recuperación)

• Separación sólido-líquido:
  • Se utilizan para separar células (biomasa) y otros productos insolubles de los caldos de cultivo.
  • Flotación: Las células y partículas sólidas son absorbidas en burbujas, llevadas arriba para formar espuma y removidas.
    • Floculación: Las células forman agregados grandes que se van al fondo para ser removidos.
    • Filtración: Utiliza un medio filtrante (membrana) y se impulsa por un gradiente de presión.
    • Centrifugación: Se basa en las diferencias de densidad de las partículas dentro del medio.

Tipos de filtración

Liberación de productos intracelulares

• Métodos físicos:
  • Ultrasonido: Utiliza ondas de ultrasonido.
  • Choque osmótico: Utiliza 20% de sucrosa a 4 °C.
  • Choque térmico: No es adecuado para sustancias termolábiles.
  • Homogenización por presión alta: Pasa la sustancia por un orificio pequeño a alta presión atmosférica.
  • Choque: Choca dos corrientes de células o una corriente con una superficie.
  • Trituración: Utiliza perlas de vidrio y agitación.
• Métodos Químicos:
  • Álcalis: Requiere que el producto sea estable al pH empleado.
  • Solventes orgánicos: Utiliza solventes inflamables como metanol o isopropanol.
  • Detergentes: Desnaturalizan las proteínas de la membrana y lisan las células.
• Métodos Enzimáticos:
  • Lisozima: Se usa para paredes bacterianas.
  • Glucanasa, mananasa y proteasa: Se utiliza para paredes de levaduras.

Concentración

• El filtrado sin células o debris contiene entre 80-98% de HO.
• Hay que remover el HO por:
  • Evaporación
  • Extracción líquido-líquido
  • Filtración de membrana
  • Precipitación
  • Adsorción

Técnicas de Concentración

• Evaporación: Requiere una fuente de calor que genere vapor, un condensador, y una unidad para separar el producto concentrado.
• Tipos de evaporadores:
  • Evaporador de platos.
  • Evaporador de película ascendente.
  • Evaporador de circulación forzada.
• Extracción líquido-líquido: Transfiere el producto de un líquido a otro, ayudando a purificarlo. La eficiencia depende del factor de partición, que es la distribución relativa de la sustancia en los dos líquidos.
• Filtración de membrana
• Precipitación
• Adsorción

Extracción para productos de bajo PM

• Extracción física:
  • Uso de compuestos iónicos
• Extracción de disociación:
  • Uso de antibióticos
• Extracción reactiva:
  • El producto se hace reaccionar con una molécula acarreadora (amina alifática, compuesto fosforado) y se extrae con un solvente orgánico.

Exracción de fluidos supercríticos

• Para compuestos que son fluidos a temperatura y presión críticas como el CO2.
• Se Utiliza para quitar cafeína y pigmentos, pero es costosa.

Extracción para productos de alto PM

• Para proteínas, no se pueden usar solventes orgánicos.
  • Sistema de dos fases acuosas:
    • Se usa un polímero y una solución de sal. Las fases no son miscibles, y las células se van a una fase mientras las proteínas van a otra.
  • Sistema de micelas inversas:
    • Se forman micelas inversas, es decir, medio acuoso dentro y aceite fuera.

Filtración de membrana

• Se puede usar para separación o concentración, utilizando membranas de polisulfona o fluoruro de polivinilo.
• Membranas con adsorbentes.
• Pervaporación.
• Perstracción.

Purificación

• Métodos de Purificación:
  • Precipitación
  • Cromatografía
  • Electroforesis
  • Ultrafiltración
  • Ósmosis inversa
  • Diálisis
  • Electrodiálisis

Precipitación

• Un soluto soluble se separa en forma de sólido insoluble en una solución, mediante la acción de un agente precipitante. La de proteínas es de las operaciones más importantes.
• Para recuperación y purificación.

Cromatografía

• Separa en sus componentes una mezcla de solutos

Electroforesis

• Separa moléculas cargadas según tamaño y carga en un campo eléctrico.
• Se usa para la separación de proteínas, pero también ácidos nucleicos o células.

Ultrafiltración, Ósmosis inversa, Diálisis, y Electrodiálisis

• Emplean una membrana.
• Se basan en la fuerza impulsora del proceso, con base en:
  • Gradiente de presión
  • Gradiente de concentración
  • Gradiente de voltaje

Este cuestionario evalúa la comprensión de los bioprocesos, incluyendo las etapas upstream y downstream. También abarca los tipos de fermentación y métodos de purificación utilizados. Mide el conocimiento de los componentes principales y productos de los bioprocesos.