Bioprocesos: Fundamentos y Aplicaciones

Proceso basado en la utilización de células o enzimas para que actúen como biocatalizadores, posibilitando la realización de cambios físicos, químicos y/o biológicos en los materiales presentes en el medio de reacción. Los bioprocesos permiten obtener macromoléculas que son difíciles de obtener a través de métodos directos. En los bioprocesos se distinguen tres etapas básicas: Upstream, biorreacción y Downstream.

Upstream

Los procesos upstream comprenden la selección y preparación del microorganismo, la preparación del medio de cultivo y la fijación de las condiciones de biorreacción. En esta etapa se incluyen acciones como:

• Selección
• Mejora de la especie o cepa
• Modificación y optimización de la biorreacción
• Preparación de medios y de materias primas
• Escalado de biorreactores

Entre el equipamiento cabe destacar:

• Materiales y equipos para el cultivo de células y microorganismos para la elaboración del inóculo
• Sistemas del inóculo
• Biorreactores y equipos de control

Biorreacción

En los biorreactores se desarrollan las transformaciones físicas y químicas del medio. Se aplica una monitorización:

• Del crecimiento celular
• De los factores de cultivo
• De la viabilidad de las células cultivadas

Tipos de Cultivo

Cultivo Discontinuo:

• Se agrega el medio de cultivo o medio de reacción y el microorganismo o la enzima.
• Se aplican unas condiciones de crecimiento o de reacción controladas.
• El proceso se detiene cuando se agotan los nutrientes del medio de cultivo o cuando se agota el sustrato a transformar.
• No se efectúa adición ni reposición de medio durante el proceso.
• Comienza a ser rentable tras la fase de latencia.

Cultivo Semicontinuo:

• Se agrega el medio de cultivo o medio de reacción y el microorganismo o la enzima. Se controlan las condiciones de reacción y se monitoriza el crecimiento.
• Las células se encuentran en la fase de crecimiento o exponencial, por lo que se reducen los tiempos lag.
• Problemas destacables de este tipo de operación:
  • Posible contaminación durante los procesos de alimentación y purga.
  • Mutaciones celulares por sobreuso de la misma cepa durante largos periodos de tiempo.

Cultivo Continuo:

• El volumen de mezcla en el reactor se mantiene constante en el tiempo.
• Se aplica una adición continua de medio de cultivo y una retirada continua del cultivo celular del biorreactor.
• El flujo de entrada o adición es igual al flujo de salida o purga.
• Se emplea para largos períodos de funcionamiento.
• Presenta riesgo de contaminación externa con otros microorganismos.
• Presenta riesgo de mutaciones a largo plazo.

Downstream

Los procesos downstream incluyen la purificación del producto y el tratamiento de los residuos de la bioreacción o fermentación.

• Generación y separación de partículas
• Disrupción celular
• Aislamiento del producto
• Purificación del producto
• Operaciones de acabado como deshidratación o secado

Técnicas de Separación y Purificación

Filtración

Las partículas sólidas se separan de la mezcla sólido-líquido al forzar el paso de la mezcla a través de un medio filtrante o tela de filtro, donde se retienen las partículas. Los sólidos se depositan en el filtro y, según el depósito incrementa su grosor, se produce resistencia a la continuación de la filtración. Se distingue: microfiltración, ultrafiltración y diafiltración.

Centrifugación

La centrifugación se emplea para separar materiales de diferente densidad mediante la fuerza centrífuga que se ejerce cuando se somete el líquido del bioproceso a rotación a elevadas velocidades, y no mediante la gravedad o la presión.

Ruptura Celular

La ruptura celular se aplica para liberar los productos como las enzimas y las proteínas recombinantes que permanecen en el interior de la biomasa.

• Métodos Mecánicos
• Métodos Físicos
• Métodos Químicos

Extracción Líquido-Líquido (L-L)

La extracción L-L permite recuperar compuestos disueltos en un líquido (solutos) por tratamiento con un disolvente no miscible con dicho líquido y por el que el soluto presenta mayor afinidad. El equilibrio de reparto del soluto entre las dos fases inmiscibles, normalmente una fase acuosa y una fase orgánica, marca la eficacia de recuperación.

Extracción Sólido-Líquido (S-L)

En una extracción S-L un compuesto disuelto en un líquido se transfiere a la superficie de un sólido poroso por el cual tiene una alta afinidad. Con la adsorción se puede conseguir concentrar el producto de interés hasta el 5-20%.

Concentración

Concentración del compuesto de interés. En la destilación, una mezcla líquida o vapor de dos o más sustancias se separa en fracciones de sus componentes con la pureza deseada, mediante la aplicación y remoción de calor.

Evaporación

La evaporación o rotaevaporación es la eliminación de una porción de disolvente mediante la ebullición de la solución. Sólo las fracciones líquidas se evaporan, mientras que los sólidos se mantienen. Por evaporación se logra incrementar la concentración de una disolución.

Purificación

Purificación de compuestos: En la cromatografía los componentes de una mezcla se separan en base a la distinta afinidad que presentan con una fase estacionaria a medida que son arrastrados por una fase móvil líquida. La cristalización consigue eliminar las impurezas que acompañan al compuesto de interés mediante el proceso en que se forman los cristales regulares tridimensionales del compuesto mientras las impurezas quedan en disolución. El secado es la operación mediante la cual se extrae la humedad de una sustancia por métodos térmicos, lo que permite la eliminación de cantidades relativamente pequeñas de agua del material sólido.

Enzimas como Biocatalizadores

Las enzimas son biocatalizadores de alta especificidad. Cada enzima cataliza solo un tipo de reacción, actuando sobre un solo sustrato o bien un reducido grupo de sustratos. La actividad de la enzima se explica de forma habitual a través del modelo llave-cerradura, que explica cómo encaja perfectamente tridimensionalmente el sustrato en el sitio activo de la enzima. Las enzimas posibilitan tanto el catabolismo (para obtener pequeñas moléculas a partir de grandes biomoléculas) como el anabolismo (formando biopolímeros a partir de los monómeros anteriores). Según el tipo de reacción que catalizan se clasifican en seis categorías principales:

• Oxido-reductasas
• Transferasas
• Hidrolasas
• Liasas
• Isomerasas
• Ligasas

Características de las Enzimas

• Las enzimas son catalizadores: pueden incrementar la velocidad de reacción hasta un millón de veces con respecto a la reacción no catalizada o espontánea.
• Son efectivas en muy pequeñas cantidades con respecto a los reactivos.
• Son altamente específicas. Actúan sobre sustratos concretos.

Regulación

Las enzimas participan en procesos fisiológicos en el organismo y, por tanto, deben sintetizarse cuando son necesarias y en las cantidades adecuadas.

Estado de Transición

En el estado de transición se están rompiendo determinados enlaces de los reactivos al tiempo que se están formando otros de los productos.

Cinética Enzimática

Basada en:

• Etapas elementales de reacción
• Aproximación de estado estacionario para el complejo E-S
• Etapa limitante de la velocidad de reacción: ES → E + P
• V_máx = k₃ *[E]_T

Inhibición

Las reacciones enzimáticas se suelen ver afectadas por procesos de inhibición, que disminuyen la velocidad de reacción de la reacción química que debe catalizar la enzima. Se distinguen:

• Inhibidores competitivos. Son sustancias que pueden unirse a la enzima, y por tanto ocupar su sitio activo, lo cual representa una competencia por el mismo para el sustrato y una reducción de la velocidad de reacción que se debía catalizar.
• Inhibidores no competitivos. Son sustancias que interaccionan con el complejo enzima-sustrato, alterando la velocidad a la que tiene lugar la transformación final en productos.
• Inhibidores alostéricos. Actúan sobre la enzima modificando la morfología de su sitio activo.

Cofactores

Los cofactores son especies químicas auxiliares que posibilitan que la enzima haga su función catalizadora. La participación de iones metálicos y vitaminas como cofactores o coenzimas explican la necesidad de los seres vivos de incorporarlos a nivel de trazas para posibilitar sus procesos fisiológicos.

Fermentación

La fermentación es un proceso de oxidación de sustratos en la que no interviene el oxígeno ni ninguna sustancia inorgánica como aceptor final de electrones. Durante la fermentación de sustancias como los azúcares o carbohidratos se generan CO₂ y otros gases, pero lo más destacable resulta ser la gran cantidad de sustancias orgánicas (como ácidos o alcoholes por ejemplo) de diversa naturaleza que se obtienen a partir de los componentes del medio de cultivo de los microorganismos empleados.

Aplicaciones de los Bioprocesos

Mediante el cultivo de microorganismos se pueden obtener numerosas enzimas que son biocatalizadores. Estas biomoléculas posibilitan reacciones muy específicas con un elevado control de la estructura tridimensional de los productos obtenidos, esto es, un gran control sobre la estereoisomería de los productos orgánicos finales.

Proteínas Recombinantes

Las proteínas recombinantes se obtienen a partir de la expresión de los genes, es decir, transcripción del gen a ARNm y traducción del ARNm a proteína por unión de los diversos aminoácidos. Las células transformadas se pueden cultivar en un medio adecuado y se obtendrán nuevas células clones que contendrán el ADN recombinante.

Anticuerpos

Los anticuerpos son grandes proteínas en forma de Y que se unen de forma específica a otras proteínas concretas de origen externo (exógeno) al organismo y que reciben el nombre de antígenos. Tanto las vacunas tradicionales de ADN como las recientes de ARNm, trasladan al organismo la información genética necesaria para la creación de anticuerpos específicos que pueden combatir infecciones bacterianas o víricas.

Polisacáridos

El cultivo de microorganismos a través de procesos de fermentación permite también la obtención de polisacáridos de elevado interés comercial como el quitosano, el ácido hialurónico, dextranos y alginatos.

Polímeros

Mediante el cultivo de microorganismos se puede obtener tanto el monómero (para posteriormente desarrollar aparte el proceso de polimerización mediante iniciadores y catalizadores adecuados), como en otros casos el polímero acumulado en la propia célula microbiana (que deberá someterse a lisis y/o extracción para poder ser aislado de la mezcla reactiva).