Ingeniera y Biotecnologa: una Aventura de Simbiosis Cientfica

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Seminario I (2da parte)

•    INTRODUCCIÓN
• A LOS BIOPROCESOS
•    
• . Evolución y características de los bioprocesos
• . Introducción a las operaciones de un proceso
  biotecnológico
• . Selección de un proceso
•   
• Cursada 2006

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SELECCIÓN DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICO ASPECTOS
QUE INTERVIEN EN LA SELECCIÓN DE UN PROCESO
A) ECONÓMICO
Relacionados con el mercado y especificaciones
del producto Evaluar el potencial económico del
producto   B) TÉCNICO
Relacionados con el diseño del
proceso Desarrollar y evaluar varios esquemas de
operación para obtener el Diseño óptimo
  DESARROLLAR UN DISEÑO COMPLETO DEL BIOPROCESO
    Secuencia de operaciones de separación El
equipamiento requerido
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 A) MERCADO Y ESPECIFICACIÓN DEL PRODUCTO   El
mercado determina el precio de un producto. De
acuerdo a esto existen dos tipos de
productos.   1     libres de competencia 2     de
gran competitividad
Una vez elegido el producto según el OBJETIVO
Tabla 2.1 Influencia del mercado en el precio del
producto (pag. 21)
B) ASPECTOS TÉCNICOS     DISEÑO DEL
PROCESO Definir las principales características
técnicas del proceso previo a construir una
planta productiva
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PROCESO DE SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN
i) elegir entre OPERACIONES alternativas -
homogenizadores vs. molino de perlas -
permeabilización celular química vs. enzimática
- centrifugación vs. microfiltración ii)
diseño de una SECUENCIA ÓPTIMA para obtener
máximo rendimiento con el menor número de pasos
- Existen muchas alternativas y en
diferente orden (es un probelma de
combinatoria)
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• Solución rigurosa utilización de métodos
  numéricos clásicos, ecuaciones de diseño.
• Resuelve el punto i) permitiendo elegir entre
  operacioens alternativas. No resuelve ii.
• 2. Utilización de las reglas de oro de la
  purificación
• Resuelve i e ii
• 3. Uso de TECNICAS DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL
• SISTEMAS EXPERTOS (SE)
• - utilizan el conocimiento empírico
• escanean toda la información acerca de las
  propiedades de la muestra y las operaciones
• toma en cuenta las reglas de oro de la
  purificación
• utilizan correlaciones matemáticas y bases de
  datos
• Encuentran una solución óptima al probelma del
  proceso de purificación y la secuencia (i y ii).

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2. Utilización de las reglas de oro de la
purificación REGLA 1 Elegir procesos de
separación basados en diferentes propiedades
físicas, químicas o bioquímicas REGLA
2 Separar las impurezas más abundantes
primero Es importante eliminar el agua en las
primeras etapas del proceso. Tratar de reducir el
material de trabajo hasta un 90 del volumen
inicial
REGLA 3 Seleccionar un procesos que permita
aprovechar al máximo las diferencia entre las
propiedades fisicoquímicas del producto y los
contaminantes. - Se deben conocer las
propiedades del producto y de las principales
impurezas REGLA 4 Realizar las separaciones más
caras y difíciles al final KEEP IT
SIMPLE!
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SELECCIÓN DE UN PROCESO
VER CUADRO EN CAPÍTULO 2, pag20
ELEMENTOS PARA LA SELECCIÓN DE UN BIOPROCESO
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B) ASPECTOS TÉCNICOS i) Definir las operaciones y
secuencia de separación  Objetivo de este paso
es explotar al máximo las propiedades
fisicoquímicas que diferencian al producto
deseado del resto de los productos contaminantes
de la manera más económica   Se trata de utilizar
una secuencia de etapas en que cada una involucre
una propiedad diferente.
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Propiedades de las proteínas a tener en cuenta en
los proceso de separación y purificación

• Propiedades físico - químicas
• Punto isoeléctrico
• Carga, curva de valoración
• Tamaño, PM
• Especificidad por ligandos
• Propiedades de superficie (hidrofobicidad)
• Estabilidad

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Distribución de PIs
Características fisicoquímicas de las principales
proteínas de E. Coli
Distribución de PM
70
60
50
40
30
Number of Proteins
20
10
11
Punto isoeléctrico PI de algunas proteínas
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Curva de titulación correspondiente a tres
proteínas A, B y C, en una muestra proteica
(Asenjo, 1990)
Carga
B

0
A
C
-
3
5
7
11
9
pH
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SINTESIS DE UN PROCESO DE BIOSEPARACIÓNaproximaci
ón Heurística
Intracelular
1. SEPARACIÓN CELULAR
PASOS 1. Desarrollar un diagrama de bloques
con las principales etapas 2. Seleccionar para
cada etapa las operaciones alternativas
2. DISRUPCIÓN CELULAR
REMOCIÓN DE DE RESTOS CELULARES Y DESECHOS
Extracelular
3. CONCENTRACIÓN
4. PRETRATAMIENTO (primary Isolation)
remoción del componente más abundante
5. PURIFICACIÓN DE ALTA RESOLUCIÓN
6 ACABADO
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1.-SEPARACIÓN CELULAR centrifucación Vs.
filtración por membrana (en gran escala son las
únicas empleadas) 2.-DISRUPCIÓN CELULAR Y
SEPARACIÓN DE RESTOS CELULARES


(sólo para proteínas intracelulares) -
Homogenización (alta presión) - Molino de
perlas - Permeabilización o lisis química o
enzimática -Choque osmótico Separación de
restos celulares - centrifugación -
ultrafiltración (filtración por presión) -
microfiltración - partición en dos fases
acuosas
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1.Separación celular Costos de los procesos de
centrifugación son más dependientes del tamaño de
las partículas que los procesos de separación con
membranas
Filtración por membrana más económica
Centrifugación más economica
Total separation costs
Se pierde de 1 al 5 del material
Centrifugación (part gt 2 u)
Average particle size (units)
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2. DISRUPCIÓN CELULAR Y SEPARACIÓN DE RESTOS
CELULARES La técnica más recomendada para alta
escala son los homogeinizadores (Gaulin
homogenizer) - Homogeinización - suspensiones
celulares 15-20 (peso seco) - concentración
celular no afecta la eficiencia - es
necesario refrigerar (4-5ºC) - Modelos más
grandes 6,000 L/h (levaduras y bacterias)

• Molinos de perlas
• pequeñas perlas de vidrio (0.3-0.4mm ?)
• - diferentes diseños de agitadores
• - concentración de células afecta la eficiencia
• concentración óptima ? 30-60 peso húmedo
• modelos mas grandes 2000 L/h
• Ruptura química o enzimática
• limitado a baja escala (Lysozyme,
  Triton, otras)

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• Separación de restos celulares
• centrifugación (no adecuada)
• ultrafiltración (300,000 500,000 o mayor)
• Microfiltración (0.1? m.)
• partición en dos fases acuosas
• (células rotas y restos quedan en la fase
  inferior)
• CDR (cell Debris Remover Whatman)
• 3. CONCENTRACIÓN
• Los productos deben concentrarse hasta 10-50
  veces.
• Técnica preferida Ultrafiltración
• - partición líquido-líquido. Extracción con
  solventes
• - Precipitación (sulfato de NH4)
• -Evaporación
• - Destilación

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• 4.- PRETRATAMIETNO O EXTRACCIÓN DEL PRODUCTO
• Adsorción
• Intercambio iónico
• Cromoatografía de intercambio hidrofóbico

5.- PURIFICACIÓN DE ALTA RESOLUCIÓN -
Cromatografía de interacción hidrofóbica (HIC)
-Cromatografía de intercambio iónico de alta
resolución - Cromatografía de afinidad -
Cromatografía metal quelante (IMAC) . Otras
cromatografías dye-ligand chromatography
(triazine-colorante)
6. ACABADO esterilización y estabilización del
producto deshidratación, liofilizado,
estabilización (sales)
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Ver tabla en capítulo 2 pag. 23 Operaciones de
separación y su propiedad básica
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Operaciones de Separación y Purificación de
proteínas en gran escala.Métodos de Recuperación
y purificación y las correspondientes propiedades
físicoquímicas invlucradas en la operación
Prokopakis and Asenjo (1990)
21
Operaciones cromatográficas y las respectivas
propiedades fisicoquímicas relacionadas.Caracterí
sticas de los procesos de purificación y
aplicaciones en gran escala Asenjo and Patrick,
1990)
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ii) Escala de operación
Ver la compatibilidad entre la operación y la
escala en la cual se va a diseñar   Analizar el
límite que poseen las operaciones elegidas
iii) Número de etapas
Debe considerarse en el diseño si los
procedimientos seleccionados requieren de alguna
etapa de regeneración, elusión del producto
deseado, etc
iii) Costos

• costos de operación
• Costos fijos
• Gastos de planta
• administración (impuestos)
• Investigación y desarrollo

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Ver tabla 2.3 pag. 26
Capacidades máximas de operación
Ver tabla 2.5 pag 35
Operaciones de bioseparación empleadas de acuerdo
a las características del proceso biotecnológico
Ver esquema pag. 40
Diagrama de flufo de un proceso de bioseparación