1 bioproc unab 2012.pdf

7/26/2019 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


Modelos de crecimiento celular

Ks

/2

[S]

CinCintica de Monodtica de Monod


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[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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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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[s]

[s]

max

Ks

/2

[S]

[s]

[s]

max

Ks

/2

[S]



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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

[ ]



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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


Y= absorbanciaY= absorbanciaX= concentraciX= concentracinn


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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

1 bioproc unab 2012.pdf

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