producción de penicilina
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Universidad Autónoma del Estado de México Facultad de Química
UA: Reactores Biológicos Producción de penicilina Nolasco Terrón Eder Yair
Grupo 85 IQ
Penicilina
Los antibióticos son productos del metabolismo microbiano que son capaces de matar o inhibir el
crecimiento de otros microorganismos a bajas concentraciones. Durante la II Guerra Mundial la
demanda de agentes quimioterapéuticos para tratar las infecciones de las heridas condujo al
desarrollo de un proceso de producción para la penicilina y al inicio de la era de investigación sobre
los antibióticos. En la actualidad continúa siendo una de las áreas más importante de investigación
dentro de la Microbiología Industrial.
Los antibióticos son producidos por bacterias y hongos. Entre los hongos, solamente 10 de los
antibióticos conocidos se producen comercialmente y solamente las penicilinas, cefalosporina C,
griseofulvina y ácido fusídico tienen importancia clínica.
La penicilina fue descrita por Fleming en 1929. Un grupo de investigación en Oxford, bajo la dirección
de Florey y Chain, la aisló a partir de cultivos de Penicillium notatum en 1940 y la primera aplicación
clínica de la penicilina se realizó en 1941. Las penicilinas son producidas por muchos hongos,
particularmente especies de Penicillium y Aspergillus.
Métodos de producción
La penicilina G y la penicilina V son producidas utilizando procesos sumergidos en fermentadores
de 40.000-200.000 litros. Debido a las dificultades en el suministro de oxígeno no pueden ser
empleados tanques mayores. La fermentación de penicilina es un proceso aeróbico con una
velocidad de absorción volumétrica de oxígeno de 0,4-0,8 mM/l min. La velocidad de aireación
requerida está entre 0,5-1,0 volúmenes de aire (volumen de líquido)-1 min-1 dependiendo de la
cepa, del biorreactor y del tipo de impulsor. Para el mezclado se suelen utilizar varios impulsores de
tipo Rushton (120-150 rpm). El rango de temperatura óptima es de 25-27°C.
En un esquema típico de producción de penicilina el inóculo se inicia utilizando esporas liofilizadas.
Debido a la gran variabilidad de las cepas de alta producción, es necesario el mantenimiento
cuidadoso de las cepas. La concentración de esporas (óptima 5x103/ ml) y la formación de
agregados son cruciales para el rendimiento subsecuente. Si se quiere conseguir una velocidad
óptima de formación de penicilina, los agregados (pellets) no deben crecer como bolas compactas
sino de una forma suelta. Después de varias etapas de crecimiento está preparado el cultivo de
producción. En la fermentación típica de penicilina existe una fase de crecimiento de unas 40h con
un tiempo de duplicación de 6h, durante la cual se forma la mayor parte de la masa celular. El
suministro de oxígeno es crítico en el cultivo en crecimiento ya que el aumento de la viscosidad
dificulta la transferencia de oxígeno. Después de la fase de crecimiento, el cultivo llega a la fase real
de producción de penicilina. Debido al aporte de distintos componentes al medio, la fase de
producción puede extenderse hasta 120-160h.
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Actualmente la extracción con solventes es la base para la separación y purificación de la penicilina.
El primer paso consiste en separar el micelio del medio de cultivo empleando un filtro rotatorio a
vacío tipo cilíndrico. El filtrado rico en penicilina es luego enfriado en un intercambiador de calor a
0 - 4 °C con el objeto de disminuir la degradación enzimática y química durante las etapas de
extracción posteriores.
Las penicilinas G y V son ácidos fuertes (pKa entre 2.5 - 3.1). Las formas ácidas son solubles en
muchos solventes orgánicos y se pueden extraer con un alto rendimiento en acetato de amilo o de
butilo a pH 2.5 - 3.0. La extracción se puede realizar en operaciones continuas, a contracorriente en
extractores centrífugos en etapas múltiples, a temperaturas de 0 - 3 °C. Otra posibilidad es el empleo
de mezcladores estáticos o decantadores, los cuales tienen en menor costo de inversión.
Se debe tener en cuenta que tanto la penicilina G como la V se degradan en medio ácido con una
cinética de primer orden a una velocidad proporcional a la temperatura y recíproca con respecto al
pH. Esto hace que la vida media en condiciones de eficiente extracción en medio ácido sea muy
reducida. Sin embargo como la forma V en tales condiciones es más estable que la G, si el objetivo
es obtener 6-amino penicilánico (6-APA) la producción de penicilina V es más aconsejable.
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Grupo 85 IQ La extracción de penicilina se puede realizar en una o más etapas sucesivas, con una acidificación
del caldo filtrado con H2SO4 o H3PO4 al 10% P/V y con el agregado de un agente surfactante (0,003
- 0,1% P/P, en el solvente), realizándose la extracción y concentración en extractores centrífugos.
Dependiendo de las especificaciones de uso final, el solvente conteniendo penicilina se puede tratar
con carbón para separar pigmentos y otras impurezas. Esta etapa actualmente no se realiza debido
a las bajas impurezas de los caldos y a los altos rendimientos obtenidos.
La cristalización se puede realizar desde la fase acuosa si se desea, siendo los valores críticos las
concentraciones de sodio o potasio, la temperatura, la concentración de penicilina y el pH. En caso
de hacerse la cristalización a partir de un solvente se requiere también un exceso de Na+ o K+,
siendo los cristales recuperados en un filtro rotatorio a vacío. Estos cristales son lavados y
presecados con un solvente volátil que también separa impurezas coloreadas. El secado definitivo
se puede realizar con aire caliente, vacío o calor radiante. La penicilina cristalina G o V así obtenida
puede ser empleada como tal o como intermediario que es convertido a 6-APA para obtener nuevas
penicilinas semisintéticas, cuidando en todos los casos que los productos deberán tener un grado
farmacéutico. El ácido 6-APA puede ser obtenido por vía enzimática (penicilinacilasa) o química.
El medio de un cultivo típico alimentado puede variar dependiendo de la cepa, y generalmente
consiste en:
Líquido de maceración de maíz (4-5% peso seco).
Una fuente de Nitrógeno adicional, harina de soja, extracto de levadura o suero.
Una fuente de carbono, lactosa.
Varios tampones
El pH se mantiene constante a 6,5.
El ácido fenilacético o el fenoxiacético se alimentan continuamente como precursores (0,5-
0,8% del total).
Los procesos con alimentación de glucosa o melazas también tienen éxito. En estos casos las
velocidades de alimentación son de 1.0-2.5 kg/m3h, con una concentración de glucosa de 500 kg/m3.
Aproximadamente el 65% de la fuente de carbono metabolizada se utiliza para el mantenimiento
energético, el 25% para el crecimiento y sólo el 10% para la producción de penicilina.
Se está llevando a cabo una intensa investigación para producir penicilina con células inmovilizadas.
En un estudio a escala de laboratorio se demostró la ventaja de este enfoque sobre el uso de
sistemas discontinuos alimentados, pero esta técnica no ha sido introducida todavía a nivel
comercial. La penicilina es excretada al medio y menos del 1% permanece unida al micelio. Después
de la separación del micelio, la recuperación del producto se lleva a cabo por medio de dos etapas
de extracción continua en contracorriente del caldo de fermentación con acetato de amilo o de
butilo a 0-3°C y pH: 2,5-3,0. El rendimiento es de alrededor del 90%.
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Bibliografía http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema15MI.html
http://www.biologia.edu.ar/microind/producci%C3%B3n_de_penicilina.htm
http://www1.us.es/pautadatos/publico/asignaturas/40397/17564/BIOTEC_07-
08_TEMA%2010.pdf
http://blogs.creamoselfuturo.com/bio-tecnologia/2011/03/25/procesos-industriales-de-
produccion-de-penicilinas-semisinteticas/
http://www.uam.es/departamentos/medicina/farmacologia/especifica/F_General/FG_T62.pdf
http://www.ugr.es/~iquimica/PROYECTO_FIN_DE_CARRERA/lista_proyectos/p192.htm