biotecnología industrial 1ra unidad

INTRODUCCIÓN

La biotecnología, juega un rol muy activo en la producción :nuevas moléculas, fármacos, química fina, bioingredientes, energía, alimentos y bioelectrónica

La biotecnología involucra formas vivientes activas,microorganismos, y otras entidades celulares animal y vegetal, que en conjunto ofrecen una gran biodiversidad de sistemas genómicos y metabólicos

. Gracias a numerosos avances científicos en la actualidad esposible efectuar mejora genética

y molecular de microbios, plantas y animales para generar biomoléculas y proteinas de importancia industrial y comercial.

Biotecnologíaproviene de dos vocablos:Bio = vivo o vivienteTecnología = la aplicación de la ciencia para alcanzar objetivos industriales o comerciales.

Es el campode la biologíaaplicadaqueutiliza organismos vivos y

procesos biológicos eningeniería, tecnología, medicina y otras

áreas que utilizan procesos biológicos.

«La biotecnología se refiere a todaaplicación

tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificaciónde productos o procesos para

usos específicos »(Convenio sobre la Diversidad Biológica,

Artículo 2. Uso de términos, Naciones Unidas. 1992)

“Un conjunto de técnicas que modifican organismosvivos, transforman sustancias de origen orgánico o utilizan procesos biológicos para producir un nuevo conocimiento o desarrollar productos y servicios”(Organización para la Cooperación y el DesarrolloEconómico)

“El conjunto de técnicas oprocesos que emplean

organismos vivos o sustancias que provengan de ellos para producir o modificar un alimento, mejorar las plantaso animales de los que

provienen los alimentos, odesarrollar microorganismos

que intervengan en los procesos de elaboración de los mismos” (Sociedad Española de Biotecnología)

CRONOLOGÍA DELA

BIOTECNOLOGÍA

CRONOLOGÍA DE LA BIOTECNOLOGÍA

10000

AC

• En la antigua babilonia se usaban las plantas con fines anestésicos

8000 AC

• Recolección de semillas para replantación• Mesopotamia utilizó la crianza selectiva de ganado

6000 AC

• En medio Oriente se elaboraba cerveza utilizando levaduras.

5000 AC

• Los humanos descubren que pueden mejorar cultivos plantando las semillas de las mejores plantas.

4000 AC

• China elaboró queso y yogur aplicando la fermentación láctica.

2300AC

• Egipto produce pan con levadura

323AC

• Aristóteles especula sobre la naturaleza de la reproducción y la herencia.

1590

• Zavarías Janssen inventa el microscopio

1665

• Robert Hooke utiliza por primera vez la palabra célula en su libro Micrographia.

1856

• Gregor Mendel, realiza experimentos de cruzamientos con guisantes efectuados en el jardín del monasterio que le permitió descubrir las tres leyes de la herencia o leyes de Mendel.

1861

• Louis Pasteur, descubrió que la fermentación, que es el proceso que se usa para hacer cervezas y vinos que se lleva a cabo a través de diminutos animales. Pasteur llamó a estos microorganismos "gérmenes" y descubrió que estos también son responsables de esparcir enfermedades contagiosas. De esta manera logró resolver el problema de la rabia, y creó vacunas para ésta y otras enfermedades mortales, salvando así muchas vidas.

1919

• Karl Ereky,

utilizó por primera vez la palabra Biotecnología, para ese tiempo, el termino significaba todas las líneas de trabajo por las cuales aquellos productos eran producidos de las líneas de materiales con la ayuda de organismos vivos.

1953

• James Watson y Francis Crick describen la estructura de doble hélice del ADN.

1965

• Robert Holley, determinó que un gen de levadura estaba compuesto por 77

bases nitrogenadas.

1970

• Har Gobind Khorana, obtuvo valiosas síntesis de polinucleótidos con secuencias

de bases conocidas y consiguió construir en el Laboratorio un gen completo.

1973

• Stanley Cohen y Herbert Bayer desarrollan la Tecnología de recombinación del

ADN.

1976

• Har Gobind Khorana, sintetiza una molécula de ácido nucleico compuesta por 206 bases nitrogenadas• Robert Swuanson y Herbert Bayer crean Genentech, la primera companía de Biotecnología.

1982

• Se produce la insulina como la primera hormona sintetizada por biotecnología, su nombre comercial

Humalina® de la compañía Eli - Lilly

1983

• Se creó la primera planta transgénica y en 1994 apareció el tomate Flavr Svr, el primer alimento modificado genéticamente producido para el consumo masivo, modificado para que resistiera más tiempo después de madurar.

• Estos son plenamente aceptados en Estados Unidos (63%), Argentina (21%), China (4%) y otros muchos países.

1987

• Se aplicó las huellas genéticas (conjunto de métodos para la detección delpatrón genético único de un organismo) pués utilizando rastros de tejido, sangreo fluídos corporales dejados en la escena de un crimen se usó para declararculpable a un violador en Inglaterra.

1996

• La oveja Dolly (5 de julio de 1996 – 14 de febrero de 2003) fue el primer mamífero clonado a partir de una célula adulta.

• La célula de la que venía Dolly era una ya diferenciada o especializada, procedente de un tejido concreto, la glándula mamaria, de un animal adulto(una oveja Fin Dorset de seis años), lo cual suponía una novedad. Hasta ese momento se creía que sólo se podían obtener clones de una célula embrionaria,es decir, no especializada

2003

• Se completa la secuencia del genoma Humano. (Iinformación contenida en los

cromosomas, que hacen que el ser humano sea como es y que se pueda diferenciar deotros seres vivos. El genoma humano es lo que da identidad a cada uno de nosotros ytiene que ver con nuestra historia genética así como también con rasgos físicos ypsicológicos que puedan estar determinados de ante mano: 20.500

2004

• Se organiza el primer foro global de biotecnología en la Cuidad de Concepción, organizado por Chile y la ONU.

2006

• A finales del mes de octubre 2006la industria delsector se reunió en Marsella (Francia)

en la octava edición de la Conferencia Europea de Biotecnología, salieron iniciativasmuy interesantes.

2000-2012

• Arroz transgénico rico en β-caroteno, podría evitar miles decasos de ceguera y de otras enfermedades causadas por faltade vitamina A en la dieta, pero todavía no se ha aprobado sucomercialización.

2009

• En Noviembre la Revista Sciencie manifestó que un grupode investigadores logró detener una enfermedad mortalcerebral Adrenoleucodistrofia,

2012

• Nano-patch, vacuna que prescinde de pinchazos, requiere unamenor dosis y no necesita refrigeración.

• En marzo del congreso Biotecnología Habana 2012, dedicadoa aplicaciones médicas, mostró los resultados de vacunascontra el cáncer que no revierten la enfermedad pero mejoranla calidad de vida del paciente

CLASIFICACION DE LA BIOTECNOLOGÍA

1. BIOTECNOLOGÍA ROJA: se aplica a la utilización de biotecnología enprocesos médicos. Algunos ejemplos son el diseño de organismos para producir antibióticos, el desarrollo

de vacunas y nuevos fármacos, losdiagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y

el desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la terapia génica.

2. BIOTECNOLOGÍA BLANCA: conocida como biotecnología industrial, esaquella aplicada a procesos industriales. Un ejemplo de ello es el diseño de microorganismos para producir un producto químico o el uso de enzimas como catalizadores industriales, ya sea para producir productos químicos valiosos o destruir

contaminantes químicos peligrosos (porejemplo utilizando oxidorreductasas). También se

aplica a los usos de la biotecnología en la industria textil, en la creación de nuevos materiales, como plásticos biodegradables y en la producción de biocombustibles. Su principal objetivo es la creación de productos fácilmente degradables, que consuman

menos energía y generen menos deshechos durante su producción. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales.

3. BIOTECNOLOGÍA VERDE, es la biotecnología aplicada aprocesos agrícolas. Un ejemplo de

ello es el diseño de plantastransgénicas capaces decreceren condiciones ambientales

desfavorables o plantas resistentes a plagas y enfermedades. Se espera que la

biotecnología verde produzca soluciones más amigables con el medio ambiente que los métodos tradicionales de la agricultura industrial.Un ejemplo es el maízBt , un maíz

transgénico o genéticamente modificado que produce en sus flores proteína Cry (Bacillus thuringiensis). Así, cuando las larvas de los insectos comúnmente denominados "barrenadores del tallo" intentan alimentarse de la hojao

del tallo del maízBt, mueren.

4. BIOTECNOLOGÍA AZUL, también llamada biotecnologíamarina, es un término utilizado para describir las aplicaciones de la biotecnología en ambientes marinos y acuáticos.

MULTIDISCIPLINARIDAD DE LA BIOTECNOLOGÍA

BIOLOGÍA CELULAR

BIOLOGÍA

MOLECULAR

GENÈTICA

MOLECULAR

INDUSTRIAS: F

ARMACEUTICAS, ALIMENTARIA Y FORRAJERA, DE

LA F

ERMENTACIÓNQUÍ MICA

BIOTECNOLOGÍA

INGENIERÍA DE PROCESOS

DIAGNÓSTICOS MÉDICOS

Q

UÍMICABIOLOGÍA

M

ICROBIOLOGÍA

BIOQUÍMICA

IMPACTO DE LA BIOTECNOLOGÍA APLICADA ENDIVERSOS SECTORES

1. La biotecnología y los alimentos2. La biotecnología y la industria textil3. La biotecnología y la

salud4. La biotecnología y la industria del

papel5. La biotecnología y el medio

ambiente6. La biotecnología y la energía7. La biotecnología y la química8. La biotecnología y el agro9. La biotecnología y los animales

POSIBLES APLICACIONES EN OTROSS

ECTORES

• Desarrollo de diversos tipos de enzimas y microorganismos

genéticamente modificados que pueden producir productos químicos enun solo paso, algunos de ellos identificados a través de modernos métodos de bioprospección.

• Biosensores para el monitoreo en tiempo real de contaminantes ambientales y técnicas biométricas para identificación de personas.

• Biocombustibles de alta densidad de energía producidos a partir de la caña de azúcar y fuentes celulósicas de biomasa.

• Mayor proporción de mercado para biomateriales como los

bioplásticos, especialmente en nichos en los que pueden ofrecer algunas ventajas .

MARCO NORMATIVO DE LA BIOTECNOLOGÍA.

Un aspecto muy importante del negocio de la biotecnología lo constituyen

los procesos de regulación que rigen la industria para maximizar la seguridadla mayoría de los productos deben examinarse cuidadosamente , antes de aprobar su uso. El proceso de regulación conlleva dos aspectos importantes:

1. El control de calidad y2. Aseguramiento de la Calidad

Los productos biotecnológico están regulados por:a. FDA (Food and Drug Administration)b. EPA (Environmental Protection Agency)c. USDA (U.S. Department of Agriculture)

TECNOLOGIAS APLICADAS

1. PCR2. FINGERPRINT3. CLONACIÓN4. BACTERIAS

GENETICAMENTE MODIFICADAS

5. GENÓMINA6. PROTEÓMICA

TÉCNICAS BASE DE LA BIOTECNOLOGÍA

Proceso de bioseparación

Definición: Recuperación, aislamiento, purificación y refinamiento de productos sintetizados por procesos biotecnológicos.

Definición extendida: Etapas de refinamiento final de procesos tales como tratamiento de efluentes y purificación de agua por biotecnología.

Necesitamos aplicar métodos de bioseparación para:

• Enriquecimiento del producto objetivo.• Reducción de volumen.• Remoción de impurezas específicas.• Mejoramiento de la estabilidad del producto.• Alcanzar las especificaciones del producto.• Prevención de la degradación del producto.• Prevención de otras catálisis diferentes a las deseadas.• Prevención de envenenamiento del catalizador.

RETOS EN INGENIERÍA DE BIOSEPARACIONES

•Bajas concentraciones de producto.•Gran número de impurezas.•Termolabilidad de bioproductos.•Estrecho margen de operación de pH y fuerza iónica.•Baja solubilidad de bioproductos en solventes orgánicos.•Inestabilidad de bioproductos en solventes orgánicos.•Estrictos requerimientos de calidad.•Porcentaje de pureza.•Ausencia de impurezas específicas

Un proceso ideal de bioseparación debe combinar alta capacidad conalta selectividad, y debe asegurar estabilidad del producto.

PRODUCTOS BIOLÓGICOS

Product

o

Naturaleza de la bioseparación requerida

Bebidas alcohólicas:

Clarificación, destilación.

Ácidos orgánicos:Ácido acético, ácido cítrico

Precipitación, filtración, adsorción, extracción con

Vitaminas:Vitamina C, vitamina B12, riboflavina

Precipitación, filtración, adsorción, extracción con

Amino ácidos:Lisina, glicina, fenilalanina

Precipitación, filtración, adsorción, extracción con

Antibióticos:Penicilinas, Noemicita, Bacitacina

Precipitación, filtración, adsorción, extracción con

Carbohidratos:Almidón, azúcares, dextrinas

Precipitación, filtración, adsorción

Lípidos:Glicerol, grasas, ácidos grasos

Precipitación, filtración, adsorción, extracción con

PRODUCTOS BIOLÓGICOS

Product

o

Naturaleza de la bioseparación requerida

Proteínas:Alimentos y sus aditivosNutracéuticos Enzimas industriales HormonasEnzimas farmacéuticasProductos derivados de plasma Anticuerpos monoclonales Factores de crecimiento TrombolíticosProteínas derivadas de r-DNA Proteínas de

Filtración, precipitación, centrifugación, adsorción, cromatografía, separaciones basadas en membranas

PRODUCTOS BIOLÓGICOS

Product

o

Naturaleza de la bioseparación requerida

Productos basados en DNA: Pruebas de DNA, plásmidos, nucleótidos,

Filtración, precipitación, centrifugación, adsorción,

Un buen proceso de separación:• Asegura la pureza deseada del producto.• Asegura la estabilidad del producto.• Mantiene costos bajos.• Es reproducible.• Es escalable.• Cumple con las regulaciones establecidas.

La economía del proceso está determinada por:

• Capital invertido

• Costos de operación

Otros factores

Eficiencia de las operaciones unitarias individuales

Pérdidas en cada etapa

Destrucción o degradación del productodurante el proceso

Estado físico del producto al final de cada etapa.

• Costo del tratamiento del efluente

ESTRATEGIAS PARA BIOSEPARACIÓN

La estrategia está basada en como estos métodos pueden ser mejorutilizados para una separación dada.

Se necesita tomar en cuenta lo siguiente:

• El volumen de la corriente de proceso

• La abundancia relativa del producto en esta corriente de proceso.

• El uso que se le intenta dar al producto, esto es, requerimientos

de pureza.

• El costo del producto.

• Requerimientos de estabilidad.

ESTRATEGIA CONVENCIONAL

• Recuperación, aislamiento, purificación y refinamiento.

• Las técnicas de baja resolución, alta capacidad (por ejemplo, precipitación,filtración, centrifugación, cristalización) se usan primero para recuperación y aislamiento

• Las técnicas de alta resolución (por ejemplo,adsorción, cromatografía, electroforesis) son entonces usadas para purificación y aislamiento

MÉTODOS DE BIOSEPARACIÓN

BAJA RESOLUCIÓN –ALTA CAPACIDAD

ALTA RESOLUCIÓN – BAJA CAPACIDAD

• Ruptura celular• Precipitación• Centrifugación• Extracción líquido-líquido• Percolación• Filtración• Extracción con fluídos supercríticos• Microfiltración• Diálisis

• Ultracentrifugación• Adsorción• Cromatografía de lecho empacado• Separación por afinidad• Electroforesis

MÉTODOS DE BIOSEPARACIÓN

ALTA RESOLUCIÓN-ALTA CAPACIDAD

•

Ultrafiltración• Cromatografía de lecho fluidizado• Cromatografía de membrana• Cromatografía de columna iónica

PROPIEDADES DE LAS TÉCNICAS DE PURIFICACIÓN COMÚNMENTE USADAS

Técnica Propiedad

Capacidad

Resolución

Rendimiento

Costo Composición

Composición

Precipitación por pH

Carga alta MUY BAJA MEDIA BAJO >1 mg/ml Volumen pequeño Concentraci

Precipitación con(NH4)2SO4

Hidrofobicidad

ALTA MUY BAJA ALTO BAJO >1 mg/ml I alto Volumen pe

Extracción en dos fases acuosas

MEZCLA BIOAFINIDAD

ALTA ALTA

MUY BAJA ALTA

ALTO VARIABLE

BAJO ALTO

Puede contener

Concentración de polímero

Cromatografía dei

CARGA MEDIO MEDIO MEDIO MEDIO I BajopH correcto

I altopH diferente

Cromatografía dei

Hidrofobicidad

MEDIO MEDIO MEDIO MEDIO I alto I BajopH diferente

PROPIEDADES DE LAS TÉCNICAS DE PURIFICACIÓN COMÚNMENTE USADAS

Técnica Propiedad

Capacidad

Resolución

Rendimiento

Costo Composición

Composición C

romato- e

Carga / pI BAJA ALTO MEDIO ALTO I BAJO Presencia de anfolitos

Cromatogra- fía de afinidad

Mezcla MEDIA ALTO MEDIO MEDIOpH neutral pH

diferente

Cromatogra- fía de afinidad de ligando

Bioactividad

MEDIA-BAJA

MUY ALTA BAJO ALTO Dependiente sobre el ligando

Condiciones de desnaturaliz

Cromatogra- fía de p

Tamaño MUY BAJA BAJA ALTO MEDIO Volumen bajo

Diluido

MANEJO DE MICROORGANISMOS

Todos los paquetes que contengan cepas microbianas deben ser abiertos en unlaboratorio equipado para trabajar con microorganismos.Por tanto, los cultivos han de ser manejados por personal entrenado y competente en técnicas microbiológicas o hacerlo bajo supervisión del mismo.

Antes de manejar material microbiológico, el usuario ha de ser consciente delas regulaciones existentes a nivel

nacional para el trabajo con microorganismos y cumplirlas.El cultivo y el manejo de microorganismos están restringidos a laboratorios que cumplan los requerimientos de contención establecidos por la autoridadnacional para evitar el escape o dispersión del agente biológico.

1. IDENTIFICACIÓN DEL AGENTE BIOLÓGICO

El material proporcionado es de uso exclusivo de laboratorio y vieneidentificado con el nombre científico de la cepa, el número de catálogode la colección y la forma de presentación (liófilo, cultivo activo u otras).

2. IDENTIFICACIÓN DE LA PELIGROSIDAD

•Cada microorganismo suministrado está clasificado deacuerdo con la legislación. Cualquier

microorganismo, independientemente del grupo de

riesgo al que pertenezca, puede serpatógeno en determinadas

condiciones.

•Conocer que microorganismos tienen la capacidad deproducir Toxinas.

•Se debe evitar cualquier contacto directo con elmicroorganismo o sus aerosoles, en especial la inhalación o el contacto con piel y ojos.

3. PRIMEROS AUXILIOS

En caso de contacto, lavar bienla piel contaminada con jabón antiséptico y agua abundante. Si se sospecha la contaminación de heridas, o se haproducido una ingestión o inhalación fortuita, se deberá buscar inmediatamente atención médica, y seinformaráal facultativo

del nombre delmicroorganismo.

4. MEDIDAS EN CASO DE VERTIDO O DERRAME DEL CONTENIDO DEL ENVASESUMINISTRADO. PRECAUCIONES AMBIENTALES

•Descontaminar/esterilizar/autoclavar todo elmaterial que haya podido estar en contacto conel cultivo microbiano.

• Mantener los cultivos alejados de desagües,agua superficial o subterránea y suelo.

•Si se rompe accidentalmente el liófilo/envaseque contiene los microorganismos, empapar el área contaminada con un desinfectante apropiado. Los fragmentos de vidrio han de ser eliminados con pinzas, para evitar cortes accidentales.

5. MANEJO Y ALMACENAMIENTO

Los liófilos o envasesconteniendo los

cultivos han deser abiertosy manejados

por personal entrenado en un laboratorio del nivel

adecuado de seguridad.

6. CONTROLES DE EXPOSICIÓN. PROTECCIÓN DEL PERSONAL

Depende del grupo de riesgo alque pertenezca el microorganismo y está

regulado por lalegislación nacional. Se

minimiza la exposición delos trabajadorescombinando por

ejemplo el uso de recintos controlados, tales como cabinas de seguridad

biológica, con otras medidas de precaución,

como guantes

protectores, gafas y batas de laboratorio.

7. ELIMINACIÓN DEL MATERIAL

Todos los recipientes que contienen cultivosdeben esterilizarse una vez utilizados. La esterilización se llevará a cabo mediante tratamiento por calor húmedo en autoclave a121ºC durante 20 minutos. Esto es aplicable también a las batas de laboratorio u otros materiales resistentes al calor. El material inerte (vidrio, metal) puede ser esterilizadotambién en estufa de calor seco a 170-180ºCdurante 2 horas.