BIOTECNOLOGÍA es el uso integrado de la bioquímica, microbiología y ciencias de la ingeniería para lograr la aplicación tecnológica (industrial) de las capacidades de los microorganismos, células animales y vegetales y/o fracciones subcelulares derivadas de ellos. Federación Europea de Biotecnología

BIOTECNOLOGÍA es una plataforma en la que interactúan en forma transversal disciplinas de las Ciencias Biológicas, Ciencias Químicas y Ciencias de la Ingeniería y de aplicación en diversos sectores productivos y de servicios.

Áreas de la Biotecnología Biotecnología Industrial (Blanco) Biotecnología Farmacéutica (Roja) Biotecnología Vegetal y de Alimentos (Verde) Biotecnología Ambiental (Gris) Biotecnología Marina (Azul)

Procesos biotecnológicos Industria química. Industria farmacéutica. Industria alimentaria. Industria minera: biolixiviación/biooxidación. Biocombustibles de 2da y 3ra generación. Restauración de ambientes degradados.

Impacto de la Biotecnología en Ind.Qca Producción vitamina B12: -Proceso tradicional: 8 pasos de síntesis química -Proceso Biotecnológico: Fermentación 40% menos impacto ambiental 40% menos costos. Producción Cefalexina: -Proceso tradicional: 10 pasos de síntesis (bio) química -Proceso Biotecnológico: Fermentación y catálisis enzimática: 65% menos energía consumida. 50% reducción de costos Para el 2015 se calcula que el 70% de la Industria de Química Fina Utilizará procesos biotecnológicos

Tecnología de las Fermentaciones Provee herramientas: -Diseñar -Optimizar -Controlar procesos biotecnológicos

Bioprocesos Fermentación - Síntesis de novo Biotransformaciones-(Biocatálisis) Extracción de productos de interés a partir de materiales biológicos animales/vegetales. Valorización de coproductos

Síntesis de Metabolito Cultivo de células Síntesis de Metabolito de novo Biotransformación medio básico: C,N, elementos minerales medio básico: C,N, elementos minerales PRECURSOR (natural o sintético) Metabolismo Primario y Secundario 1 paso: 1 enzima Multipaso: > 2 Enzimas Metabolito nuevo o existente Metabolito

Diseño de Bioprocesos Cultivo Stock (criopreservado) Material Crudo Upstream processing Diseño medio de cultivo Cultivo Erlenmeyers Esterilización Biorreactor inóculo Recuperación Downstream processing Purificación Producto Efluente

Aspectos generales del proceso de fermentación Efectores internos Efectores externos (físicos y químicos) Sistema de operación Recuperación del producto obtenido

Productos obtenidos por fermentación Biomasa: levaduras de purificación, starters Metabolitos primarios: alcohol. Metabolitos secundarios: colorantes, antibióticos,saborizantes,espesantes etc. Enzimas: endocelulares, exocelulares.

Operaciones del USP Elección del agente biológico. Optimización del medio y proceso de fermentación.

Agentes Biológicos Células procariotas Células eucariotas Virus .Enzimas

Agente Biológico Capacidad productora. Características del metabolito de interés.

Capacidad Productora “Per-se” Vinculadas al medio. Optimización de las condiciones de operación Características del producto.

Agente biológico: -Información genética: Información propia Mutantes ( regulatorias). Recombinantes Incorporación de secuencias especiales (Kdel, Hdel) Ingeniería metabólica

Medio de Cultivo Diseño y formulación Diseño :Satisfacer requerimientos nutricionales de crecimiento y formación de productos. Incorporación de nuevos componentes: Relación costo/beneficio Formulación:Composición celular, estequiometría de crecimiento y formación de productos.Coeficiente de rendimiento Optimización ( Distintas metodologías:diseños factoriales). Esterilización (in-ex situ)

Requerimientos nutricionales Fuente de carbono ( autotróficos,heterotróficos) Aceptores finales de electrones (aerobios, anaerobios) Fuentes de nitrógeno (inorgánico, orgánico)

Medios de cultivo:componentes Macronutrientes (g/l) C,N,S,P,K y Mg Micronutrientes(mg ó microg/l) Fe,Mn,Mo,Ca; Zn. Co Trazas(B,Na,Al,Si,V, Cr, Mo,Ni, Sn, I) Factores de crecimiento: vitaminas,aminoacidos, acidos grasos no saturados, poliaminas. Hormonas Buffers Acomplejantes

Materias primas fundamentales Costo:5-80% Fuentes de carbono Hidratos de carbono Alcoholes Coproductos de industrias Fuentes de nitrógeno Organicas:peptonas, extractos de carne, levadura,maltay cornsteep

Biorreactor

Efecto del diseño del biorreactor

Influencia del tipo de cultivo en el diseño del biorreactor Órganos: diseños especiales (Liu et al, 2003) Airlift modificados: A: airlift con placas para sostener los cultivos de tallos; B: Igual que A, pero conalimentación por goteo; C: Igual que A, pero con alimentación por niebla. Producción de artemisinina en los distintos bioreactores

Diferentes configuraciones de biorreactores Diferentes configuraciones de biorreactores. A) biorreactor de tanque agitado, B) columna de burbujeo, y C) biorreactores airlift. a B C

Diferentes configuraciones de biorreactores Diferentes configuraciones de biorreactores. D) lecho fluidizado, E) lecho empaquetado, F) wave bioreactor (desechable), y G) bag bioreactor (desechable). D E F G

Proceso Aeróbico. Anaeróbico. En medio líquido Microfilm sumergido sobre carrier Microfilm Sustrato sólido.

Tipo de operación batch batch alimentado continuo semicontinuo perfusión

Factores físico- químicos que afectan un proceso Temperatura. pH Viscosidad Stress hidrodinámico Luz agitación

Monitoreo del Proceso Estimación de biomasa. Evolución de pH. Estimación y evolución del potencial de óxido/reducción (anaerobios). Estimación del oxígeno disuelto (presión parcial de oxígeno). Producción de anhídrido carbónico. Estimación del sustrato consumido (fuente de carbono, fuente de nitrógeno). Evaluación de los productos formados. Omicas.

Parámetros fermentativos Estimación de parámetros cinéticos de crecimiento. Velocidad específica de crecimiento (µ). Tiempo de duplicación (TD9 Índice de crecimiento (IC). Estimación de parámetros de producción. Productividad específica (qp). Productividad volumétrica (Qp). Determinación de OTR, OUR y KLa..

Escalado de procesos Scale up Scale down

Bioprocesos Integrados Acoplar adecuadamente las operaciones del USP con las de bioreactor y las del DSP. Metaintegración: optimización desde el gen hasta el producto final.

Ventajas de la Integración de Bioprocesos Reduce el número de operaciones. Reduce el tiempo del proceso. Facilita la separación. Mejora el rendimiento del producto y la calidad. Mejora la productividad y economía de los procesos y reduce el impacto ambiental.

Procesos biotecnológicos: Regulaciones Buenas prácticas de manufactura. Bioseguridad. Procesos sostenibles. Bioética.

Industrias en las que se emplea biocatálisis

Biotransformación con microorganismos Algunos esteroides producidos por biotransformaciones Reacción Substrato Producto Microorganismo Industria 11a-hidroxilación Progesterona 11a-Hidroxiprogesterona Rhizopus nigricans Upjhon Co. Compuesto S Reichtein Hidrocortisona Curvularia lunata Pfizer & Co. Gist-Brocades 16a-hidroxilación 9a-Fluorocortisol Triamcinolona Streptomyces Squibb, Lederle 1-Dehidrogenación Cortisol Prednisolona Arthrobacter simplex Schering & Corp. Dienediol Trienediol Corynebacterium 1-Dehidrogenación,clivaje cadena lateral y expansión anillo D Testolactona Cylindrocarpon Squibb Clivaje cadena lateral Sitosterol Androstadienediona Mycobacterium Searle & Co.

Productos Alimentos y bebidas. Insumos de industrias químicas y agroquímicas. Drogas de uso farmacéutico.

La Biotecnología en la fabricación de medicamentos Medicamentos obtenidos a través de procesos biotecnológicos - Agentes biológicos no recombinantes - Agentes biológicos que se obtienen a través de técnicas DNA para producir proteínas recombinantes - Extracción de productos naturales Medicamentos obtenidos por Molecular Pharming - Animales transgénicos - Plantas transgénicas

Productos Farmacéuticos Interferón, Eritropoyetina, Factor estimulante de colonias (para pacientes bajo terapia oncológica y en casos de transplantes de médula) y Hormona de crecimiento. Vacunas recombinantes (obtenidas por ingeniería genética) contra meningitis y hepatitis, así como agentes terapéuticos cardiológicos. (anticoagulantes). Reactivos de diagnóstico biotecnológicos (basados en anticuerpos monoclonales) de todo tipo (HIV, embarazo, hepatitis, marcadores para ciertos tipos de cáncer, etc.).

Número de proteínas recombinantes aprobadas en diferentes sistemas de expresión

Proteínas recombinantes utilizadas en terapias contra el cáncer