1 BioProc UNAB 2012.pdf
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V iveV ivecomo si fueras amorir maana
yaprendeaprendecomo si fueras a
vivir para siempreGandhi
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Bioprocesos
Procesos en los cuales se llevan a cabo reaccionesProcesos en los cuales se llevan a cabo reaccionesbioqubioqumicas, ya sea con enzimas, microorganismos o conmicas, ya sea con enzimas, microorganismos o con
cclulas vegetales y animales, viables y no viables.lulas vegetales y animales, viables y no viables.
Los bioprocesos implican la transformaciLos bioprocesos implican la transformacin de materian de materia
orgorgnica para la produccinica para la produccin de sustancias bioln de sustancias biolgicas ygicas y
ququmicas ut ilizables en el quehacer humano.micas ut ilizables en el quehacer humano.
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FERMENTACIFERMENTACINN
o2 o2aerbica anaerbica
Biorreactor
mediomedio dede cultivocultivo
sustratossustratos
metabolitosmetabolitos
biomasabiomasa
microorganismosmicroorganismos
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ReacciReaccinn
Biorreactor
mediomedio dedereaccireaccinn
sustratossustratos
MolMolculacula
dede interinterss
enzimasenzimas
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Biorreactor
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Reactor Escala BancoReactor Escala Banco1 L1 L 10 L10 L
Reactor Escala PilotoReactor Escala Pilo to
50 L50 L 200 L200 L
Reactor Escala IndustrialReactor Escala Industrial2 m2 m33 3000 m3000 m33
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MejoraMejora
gengenticatica
AutomatizaciAutomatizaci nn
y controly control
optimizacioptimizacinn
optimizacioptimizacinn
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CinCintica de Crecimiento Microbianotica de Crecimiento Microbiano
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MetabolitosMetabolitos
secundariossecundarios sonson
sustanciassustancias nono
imprescindiblesimprescindibles parapara
laslas funcionesfunciones vitalesvitales
comocomo porporejemploejemplo
alcaloidesalcaloides ,, toxinastoxinas,,
antibiantibiticosticos,,
giberelinasgiberelinas, etc., etc.
MetabolitosMetabolitos primariosprimarios sonsonmolmolculasculas dede bajobajo pesopeso
molecularmolecular queque intervienenintervienen,,
bienbien comocomo productosproductos
finales ofinales o intermediariosintermediarios, en, en
laslas distintasdistintas rutasrutas
anabanablicaslicas yy catabcatablicaslicas..
LosLos mmss importantesimportantesdesdedesde elel puntopunto de vistade vista
industrial son losindustrial son los
aminoaminocidoscidos,, nuclenucletidostidos,,
vitaminasvitaminas,, cidoscidos
orgorgnicosnicos,, alcoholesalcoholes yy
enzimasenzimas
corresponde acorresponde a
un perun perodo deodo de
adaptaciadaptacin deln del
microorganismomicroorganismo
al medio deal medio decultivo ecultivo e
involucra lainvolucra la
inducciinduccin on o
represirepresin den de
enzimasenzimas
el microorganismo seel microorganismo se
reproduce a velocidadreproduce a velocidad
mmxima con una cinxima con una cinticatica
que depende delque depende del
mecanismo de replicacimecanismo de replicacinn
celular; en el caso decelular; en el caso deorganismos unicelulares,organismos unicelulares,
como las bacterias, que secomo las bacterias, que se
reproducen por fisireproducen por fisinn
binaria, o las levaduras,binaria, o las levaduras,
que se reproducenque se reproducen
asexualmente porasexualmente por
yemaciyemacinn, d, dnde una cnde una clulalulada origen a dos, por lo queda origen a dos, por lo que
el tamael tamao de la poblacio de la poblacinn
aumenta en progresiaumenta en progresinn
geomgeomtricatrica
la replicacila replicacin celular se detiene, on celular se detiene, o
bien, las velocidades debien, las velocidades de
replicacireplicacin y muerte celularn y muerte celular
alcanzan un equilibrio dinalcanzan un equilibrio dinmico.mico.
La fase estacionaria se produceLa fase estacionaria se produce
por agotamiento de un nut rientepor agotamiento de un nutriente
((nutrientenutriente limi tante) o por lalimi tante) o por la
acumulaciacumulacin en el medio de unn en el medio de un
producto metabproducto metablico tlico txico.xico.
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CinCintica de Crecimiento Microbianatica de Crecimiento Microbiana
cmo se deduce esta expresin?
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[s]
[s]
max
CinCintica de Crecimiento Microbianatica de Crecimiento Microbiana
Modelos de crecimiento celular
Ks
/2
[S]
CinCintica de Monodtica de Monod
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CinCintica de Crecimiento Microbianatica de Crecimiento Microbiana
[s]
[s]
max
Ks
/2
[S]
[s]
[s]
max
Ks
/2
[S]
Regin de orden cero
La ecuacin seaproxima a:
Regin central
orden mixto:
se ajusta a cinticade Monod
Regin
primer orden La ecuacin
se aproxima
a:
max
SKs
*max
S >>> KS >>> KSS
SS
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CinCintica de Monodtica de Monod
Relaciona la velocidad esp de crecimiento con la concentracin de sustrato
Es emprica (no tiene base terica) es un ajuste
Permite determinar max y Ks experimentalmente cmo?
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CinCintica de Crecimiento Microbianatica de Crecimiento Microbiana
[s]
[s]
max
Ks
/2
[S]
[s]
[s]
max
Ks
/2
[S]
CinCintica de Monodtica de Monod
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CinCintica de Crecimiento Microbianatica de Crecimiento Microbiana
2ln
dt
Cell growth comparison ofE. coliDH5 (pSCP-CAB) and E. coliDH5 (pQWQ2/pSCP-CAB). Growth
was measured in LB medium with 20
g/L glucose
cmo se deduce esta expresin?
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t
s
p
[ ]
CinCintica de Crecimiento Microbianatica de Crecimiento Microbiana
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TurbidimetrTurbidimetra y Peso Secoa y Peso Seco
Ley De Bourguer-Lambert- Beer
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Y = a*X+bY = a*X+b
TurbidimetrTurbidimetra y Peso Secoa y Peso Seco
Y= absorbanciaY= absorbanciaX= concentraciX= concentracinn
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TurbidimetrTurbidimetra y Peso Secoa y Peso Seco
t = 0t = 0
t = tt = t
cultivocultivo
cultivo agotadocultivo agotado
dilucionesdiluciones
Peso secoPeso seco
[Sd 1]
[Sd 2]
[Sd 3]
[Sd 4]
VolumenVolumen
conocidoconocido(20(20 mLmL))
Estufa secadoEstufa secado
105105CC hastahasta
pesopesoconstanteconstante
((mgmg ))
Sd 1
Sd 2
Sd 3
Sd 4
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DISEDISEO DE MEDIOS DE CULTIVOO DE MEDIOS DE CULTIVO
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Es posible representar el crecimiento microbiano medianteEs posible representar el crecimiento microbiano medianteuna ecuaciuna ecuacin qun qumica que se rija por los principios de lamica que se rija por los principios de laestereometrestereometraa
MateriaMateria
EnergEnergaa
InformaciInformacinn
CClulaslulas
ProductosProductos
qq CCddHHeeOOffNNgg ++ rr COCO22 ++ tt HH22O +O + uu CChhHHiiOOjjNNkk
ll CCaaHH
bbOO
cc ++ mm NHNH
33 ++ nn OO
22
Cmo utiliza esta relacin?
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ComposiciComposicin qun qumica de cmica de clulas microbianaslulas microbianas
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La composiciLa composicin elemental de la cn elemental de la clula permanecelula permanecerelativamente constante en variosrelativamente constante en varios M.OM.O. en diferentes. en diferentescondiciones de cultivo:condiciones de cultivo:
% p/p% p/p CC 46.546.5HH 6.946.94
OO 3131NN 10.8510.85
Cunto pesa un Cmol de biomasa?
95% de p/p de la95% de p/p de labiomasabiomasa
5% restante5% restantecorresponde a salescorresponde a sales
CCddHHeeOOffNNgg CHCH1.791.79OO0.50.5NN0.20.2Cmo se llega a esta expresin?
25.8 g25.8 g
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GRADO DE REDUCCIGRADO DE REDUCCIN (N ())
Usado en balance de materia y energUsado en balance de materia y energa, cuantifica losa, cuantifica loselectrones disponibles para ser transferidoselectrones disponibles para ser transferidos
CC 44
HH 11OO --22NN --33
CHCH1.791.79OO0.50.5NN0.20.2
electroneselectrones dispdisp// CmolCmol
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Medios DefinidosMedios Definidos
Medios complejosMedios complejos(industriales)(industriales)
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Rendimiento de un nutriente en cRendimiento de un nutriente en clulaslulas
A travA travs de este pars de este parmetro se puede relacionar las velocidades de crecimientometro se puede relacionar las velocidades de crecimientode biomasa y de consumo de sustrato:de biomasa y de consumo de sustrato:
dt
dSY
dt
dXsx /
sxY
X
dt
dS
/
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Coeficiente de mantenciCoeficiente de mantencinn
Rendimiento de la fuente de carbono y energRendimiento de la fuente de carbono y energaa
Si no hay metabolito extracelular y se reemplaza cada termino enSi no hay metabolito extracelular y se reemplaza cada termino en funcifuncin den deparparmetro de cultivo:metro de cultivo:
mXYX
YX
sxsx
/
0
/
pmcT SSSS 0t
1*
11
/0
/
mYY sxsx
Rendimiento mRendimiento mximo, lximo, lmitemiteteterico de la cantidad de biomasarico de la cantidad de biomasaobtenida por unidad de sustratoobtenida por unidad de sustratoconsumido destinado a crecimientoconsumido destinado a crecimiento
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Coeficiente de rendimiento de sustrato en cCoeficiente de rendimiento de sustrato en clulaslulas
Calculo o estimaciCalculo o estimacin cuando no se dispone de datosn cuando no se dispone de datosexperimentales:experimentales:
0.5 aerobio0.5 aerobio
0.1 anaerobio0.1 anaerobio
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Requerimiento de sustrato a partir de la concentraciRequerimiento de sustrato a partir de la concentracinncelular deseada:celular deseada:
sx
f
fY
XXSS
/
0
0
Valores tValores tpicos de concentraciones celularespicos de concentraciones celulares
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Rendimiento de producto y ProductividadesRendimiento de producto y Productividades
1*110
//0
/
sp
p
sxsx Y
qmYY
Productividad especProductividad especfica defica deproducto (producto (gPtogPto//gCelgCel*h)*h)
dt
dP
Xqp *
1
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Rendimientos teRendimientos tericos dericos deproductosproductosDestino del sustrato en la producciDestino del sustrato en la produccin den de
distintos metabolitosdistintos metabolitos
Productividad
volumtrica=
masa obtenida
tiempo * volumen
cclulaslulas
productoproductodt
dPQP
dt
dXQX
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CONTROL METABCONTROL METABLICOLICO
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EfectoresEfectores QuQumicosmicos
EfectoresEfectores InternosInternos
EfectoresEfectores FFsicossicos
ExpresiExpresinn
PRODUCTOPRODUCTO
nutrientesnutrientes
gengenticatica
Temperatura, agitaciTemperatura, agitacin, aireacin, aireacin, control de pHn, control de pH
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EfectoresEfectores QuQumicosmicos
EfectoresEfectores InternosInternos
EfectoresEfectores FFsicossicos
ExpresiExpresinn de lade laenzimaenzima
Al faAlfa--amilasaamilasa
AlmidAlmidn o dextrinan o dextrina
GenGenticamente aptaticamente apta
condiciones de operacin ptimas
Temp 30-37 C
Agitacin 500 rpm,
pH inicial 6.5-7.0
cepa decepa deB.B. subtilissubtilis
BatchBatch
fuente orgfuente orgnica denica de
nitrnitrgenogenosales mineralessales minerales
Fuente de carbonoFuente de carbono
GLUCOSAGLUCOSA
LOTELOTE
ALIMENTADOALIMENTADO
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Induccin y Represin
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Control Negativo por Induccin
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Control Negativo por Induccin
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Control Negativo por Represin
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Control Negativo por Represin
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Control Positivo por Induccin(represin catablica)
El AMP cclico (AMPc) es necesario para la
transcripcin de todos los operones que son
inhib idos por el catabolismo de la glucosa. Es
decir, para que se transcriban los genes del
opern lactosa se necesitan niveles elevados de
AMPc.
Esto mismo sucede con los operones de
arabinosa, maltosa, galactosa, etc.
Sistema general de control positivo que se
denomina represin catablica.
Cuando una bacteria (E. coli) crece en un medio que contiene glucosa y lactosa,
prefiere glucosa como fuente de energa y como consecuencia los operones que
producen las enzimas necesarias para obtener energa a partir de la lactosa
estn bloqueados.
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Control Positivo por Induccin (represin catablica en bacterias Gram -)
Medio con glucosa:
Bajos niveles deAMPc
No hay transcripcin de los
operones de otros azcares
Medio sin glucosa:
Lactosa presente
Altos niveles deAMPc
Se forma el complejo activo CAP-AMPc CAP: protena activadora por catabolitos
CAP-AMPc es necesaria para la unin
de la ARN-polimerasa al promotor de los
genes del opern lactosa, permitiendo la
transcripcin