bioreactores

PRÁCTICA Nº2: TIPOS DE BIRREACTORES

I.

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INTRODUCCIÓN

El uso de células vivas para la producción de productos químicos crece anualmente con ritmos ritmos asombro asombrosos. sos. Tanto microor microorganis ganismos mos (bacteria (bacterias, s, hongos, hongos, algas) algas) como célu cé lula lass huma humana nas, s, vege vegeta tale less o anim animal ales es se utili utiliza zan n para para la prod produc ucció ción n vari varios os productos químicos, como por ejemplo insulina, antibióticos, biosuractantes. !on responsables también de la producción de alcohol vía ermentación, producción de quesos, vinos, champagne, etc. También los procesos biológicos son mu" usados en el tratamiento de residuos " e#uentes. $os bior biorrrea eact ctor ores es so son n los los me medi dios os de cult cultiv ivo o opti optimi miza zado doss em empl plea eado doss para para la producción de sustancias a gran escala. %or ejemplo, las grandes cubas de vino o de cerv ce rvez eza, a, que que pued pueden en lleg llegar ar a co cont nten ener er &' mil mil litr litros os de líqu líquid ido o se co cons nsid ider eran an biorr biorreac eactor tores, es, puesto puesto que otor otorgan gan a las levadu levaduras ras ermen ermentad tador oras as su medio medio de crecimiento óptimo para la unción deseada. unque en estos casos concretos, donde se pret preten ende de que que un orga organi nism smo o rea eali lice ce una una erme erment ntac ació ión, n, los los bior biorre reac acto torres se denominan también ermentadores. ermentadores.

TIPOS DE BIOREACTORES II.

OBJETIVOS

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE BASADRE GROHMANN GROHMANN



PRÁCTICA Nº2: TIPOS DE BIRREACTORES     

.

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*onocer los tipos de biorreactores biorreactores " sus características. !aber las aplicaciones generales de los dierentes tipos de biorreactores *ono *o noce cerr las las or orma mass de oper operac ació ión n en los los bior biorrrea eact ctor ores es co con n los los die dierrente entess biocatalizadores. +eterminar, una vez conocido el biocatalizador, las posibles conguraciones de biorreactores biorreactores para llevar a cabo una transormación transormación determinada. +eterminar el tipo de operación m-s adecuado a emplear en la transormación transormación

/01+2E1T3 TE4 TE45*3 III.1.

DEFINICIÓN.

Es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dich dichos os orga organi nism smos os,, se llev lleva a a ca cabo bo una una rea eacc cció ión n ca cata tali liza zada da por por enzi enzima mass o células, libres o inmovilizadas. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos biorreactores son com6nmente cilíndricos, variando en en ta tama7o de desde algunos mi mililitros hasta metros c6bicos " son usualmente abricados en acero ino8idable. El biorreactor busca mantener condiciones ambientales temperatura, concentración de organismo o sustancia química unción de los #ujos de entrada operación de un biorreactor puntos distintos: • • •

III.2.

ciertas propias (%9, o8ígeno) al que se cultiva. En " salida, la puede ser de tres

$ote (batch). $ote alimentado (ed ; batch). *ontinuo o quimiostato.

CLASIFICACIÓN:

III.2.1. DE ACUERDO A SUS FASES: 9omogéneos. 9eterogéneos.

• •

III. III.2. 2.2. 2.

DE ACUE ACUERD RDO O AL AL MET METAB ABOL OLIS ISMO MO CLA CLASI SIFI FICA CACI CIÓN ÓN BI BIOL OLÓG ÓGIC ICA! A!..

$os sistemas biológicos deben interaccionar con el ambiente e8terno para poder crecer " desarrollarse, es por eso que los biorreactores se clasican biológicamente UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE BASADRE GROHMANN GROHMANN

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de acuerdo al metabolismo procesal del sistema: 1E54=*3, /*0$TT>3, E54=*3. $os bioprocesos de cultivo " las ermentaciones est-n basados en el metabolismo celular del cultivo. El metabolismo dene los par-metros " características operativas ; biológicas de dise7o " de operación del biorreactor. Estas características son las que intervienen en la parte biológica del sistema " tienen que ver con el crecimiento, productividad " rendimiento del cultivo? por lo que , denen la clasicación biológica . procesal del sistema de cultivo.

III.2.". • • •

DE ACUERDO A SU PROCESO DE OPERACIÓN: *ontinuos. !emicontinuo. +iscontinuos.

Esta es una clasicación operativa " se aplica a cualquier reactor, sea químico o biológico (biorreactor). En los reactores biológicos el modo de operación dene el sistema de cultivo que es el mismo " delimita la clasicación procesal ; productiva del bioproceso (cultivo). l operar un biorreactor en una determinada categoría (discontinuo, semicontinuo, continuo), autom-ticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema " se denen los par-metros " las características operativas " de dise7o que intervienen en el proceso productivo del sistema.

III.2.#. • • • •

III.". • • • • • • • •

DE ACUERDO A LA ME$CLA:

=iorreactor discontinuo de mezcla completa. =iorreactor continuo de mezcla completa. =iorreactor continuo de #ujo de pistón. =iorreactor reactores de lecho #uidizado.

ELECCIÓN DEL TIPO DE REACTOR:

*ontrol de %9 " temperatura. E8igencias de suministro o eliminación de reactores gaseosos. %resencia de partículas sólidas deseadas o indeseadas en la alimentación. Estabilidad química "@o biológica de sustratos " productos. !ustitución del catalizador. nhibición por sustratos "@o productos. Escala de operación. +estinos del producto.

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III.#.

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DISE%O DE BIORREACTORES.

Es una tarea de ingeniería bastante compleja, los organismos o células son capaces de realizar su unción deseada con gran eciencia bajo condiciones óptimas. $as condiciones ambientales de un biorreactor tales como #ujo de gases (por ejemplo? o8ígeno, nitrógeno, dió8ido de carbono, etc.), temperatura, %9, o8ígeno disuelto " velocidad de agitación o circulación, deben ser cuidadosamente monitoreadas " controladas. $a ma"oría de los abricantes industriales de biorreactores usan recipientes, sensores, controladores " un sistema de control interconectados para su uncionamiento en el sistema biorreacción. $a misma propagación celular puede aectar la esterilidad " eciencia del biorreactor, especialmente en los intercambiadores de calor. %ara evitar esto, el biorreactor debe ser -cilmente limpiable " con acabados lo m-s sanitario posible (de ahí sus ormas redondeadas). !e requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura constante. $a ermentación biológica es una uente importante de calor, por lo que en la ma"or parte de los casos, los biorreactores requieren de agua de enriamiento. %ueden ser rerigerados con una chaqueta e8terna o, para recipientes sumamente grandes, con serpentines internos. En un proceso aerobio, la transerencia óptima de o8ígeno es tal vez la tarea m-s diícil de lograr. El o8ígeno se disuelve poco en agua (" a6n menos en caldos ermentados) " es relativamente escaso en el aire (<',A B). $a transerencia de o8ígeno usualmente se acilita por la agitación que se requiere también para mezclar los nutrientes " mantener la ermentación homogénea. !in embargo, e8isten límites para la velocidad de agitación, debidos tanto al alto consumo de energía ( que es UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

C

PRÁCTICA Nº2: TIPOS DE BIRREACTORES proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al da7o organismos debido a un esuerzo de corte e8cesivo.

ESIA-2015 ocasionado a los

$os biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la uerza de agitación. También son -ciles de mantener "a que requieren solo soluciones simples de nutrientes " pueden crecer a grandes velocidades. En los biorreactores utilizados para crecer células o tejidos, el dise7o es signicativamente distinto al de los biorreactores industriales. 2uchas células " tejidos, especialmente de mamíero, requieren una supercie u otro soporte estructural para poder crecer " los ambientes agitados son com6nmente da7inos para estos tipos de células " tejidos. $os organismos superiores también requieren medios de cultivo m-s complejos.

PRINCIPIOS EN EL DISE%O DE BIORREACTORES. A. BIORREACTOR DISCONTINUO DE MEZCLA COMPLETA. >ariación de orma continua. *onstante a través del reactor. Empleo de enzimas solubles. >olumen peque7o de producción. DESVENTAJAS: *ambios en las condiciones de operación. Drado de mezcla en reactores a gran escala. • • • •

• •

B. BIORREACTOR CONTINUO DE MEZCLA COMPLETA. *omposición uniorme. >ers-tiles " baratos. /acilidad de control de %9, DESVENTAJAS: Dastos energéticos elevados. • • •

temperatura, etc.

•

C. BIORREACTOR DE FLUJO EN nvariable a lo largo del >aría a través del reactor. *élulas o enzimas libres *élulas o enzimas VENTAJAS: 2-s ecaces que los de !imples " -ciles de manejar " •

PISTÓN. tiempo.

• • •

• •

D. •

(inoculación). inmovilizados. mezcla completa. automatizar.

BIORREACTOR DE LECHO FLUIDIZADO /luidización: inFler (G<).


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+e lecho #uido o turbulento. =iocatalizador o en suspensión. /lujo de sustrato. VENTAJAS: =uen control de %9, TI, gas, etc. Dran -rea de interacción. /acilidad de hacer trabajo en continuo. DESVENTAJAS: Técnica de trabajo cara.

• • •

• • •

•

El dise7o en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos b-sicos " teóricos que conlleven a lograr un prototipo? para la realización integra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptación creativa " de la utilización del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biológico de un cultivo vivo con el ambiente articial de un dispositivo controlado? este es el resultado denominado biorreactor o reactor biológico. 0n biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice " ma8imice la producción " el crecimiento de un cultivo vivo? esa es la parte biológica. E8ternamente el biorreactor es la rontera que protege ese cultivo del ambiente e8terno: contaminado " no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto rendimiento (productividad) " en el menor tiempo posible? esa es la parte tecnológica. El biorreactor es un sistema totalmente cerrado para la recepción " tratamiento de las aguas residuales, residuos agrícolas " de cualquier otro tipo de residuos org-nicos biodegradables, donde son convertidos en abono biológico ormulado, libre de todo patógeno, " genera un gas, llamado biog-s, el cual se purica hasta llevarlo a metano puro en la ma"or proporción posible para ser utilizado en cualquier sistema de combustión, motores o cualquier otro tipo de equipo que opere con gas natural, inclu"endo los vehículos particulares convertidos a gas natural pues tiene un alto porcentaje de metano de no menos del GB " su composición,


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poder caloríco, etc. Es casi idéntico a la del gas natural, debido a que se purica hasta su punto óptimo.

III.5.

CULTIVOS & FERMENTACIONES.

$o primero que ha" que entender en el dise7o de reactores biológicos es que contrario a los químicos, su cinética no est- determinada e8clusivamente por la velocidad de reacción " las variables que la determinan. unque se puede describir de manera similar a la química, la cinética biológica también depende de características intrínsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento " tasa de división celular, así como del tipo de operación que se lleve a cabo. %or eso, lo primero que se dene en el dise7o de un biorreactor es el propósito de utilización? es decir, qué tipo de cultivo se va utilizar, el modo de operar "@o el proceso de cultivo.

El biorreactor ; sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos: a. 2antener las células uniormemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. b. 2antener constante " homogénea la temperatura. c. 2inimizar los gradientes de concentración de nutrientes. d. %revenir la sedimentación " la #oculación. e. %ermitir la diusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo. . 2antener el cultivo puro. g. 2antener un ambiente aséptico. h. 2a8imizar el rendimiento " la producción. i. 2inimizar el gasto " los costos de producción. j. 5educir al m-8imo el tiempo. 0na ermentación es un proceso bioproceso que consiste en la de la materia org-nica por ermentadores (bacterias "

biológico o descomposición microorganismos hongos).

0n cultivo también es un bioproceso? pero generalmente se asocia a organismos o microorganismos superiores (en orden jer-rquico) a las bacterias? los cultivos son casi todos del reino Eucariota.

III.'.

BIORREACTORES & TIPOS DE CULTIVO


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$os sistemas biológicos que determinan el metabolismos celular de cultivo " el modo procesal ; biológico del sistema son:

A. C(LULAS & MICROORGANISMOS ANAERÓBICOS. =acterias en su gran ma"oría, son microorganismos de metabolismos degradativo (catabólico)? generalmente unicelulares, estos microorganismos son autónomos " nutricionalmente independientes ( autótroos)? sus células (cuerpos) no respiran (no utilizan la glucólisis para la respiración celular), en cambio, utilizan vías alternas, donde una molécula org-nica, producida durante el proceso metabólico (catabolismos), es utilizada como aceptor de electrones, en un proceso bioquímico como respiración o8idativa? esta molécula es reducida a producto org-nico en un proceso com6nmente denominado ermentación.

B. C(LULAS & MICROORGANISMOS FACULTATIVOS. !on ambivalentes, tienen la capacidad de vivir o sobrevivir entre ambientes: aeróbico " anaeróbico? microorganismos de metabolismos mi8to por lo que, pueden tanto degradar (catabolismo) como construir (anabolismos) materia org-nica, a partir de dierentes sustratos (materia prima), tanto org-nicos como inorg-nicos. %ese a su versatilidad, sus ma"ores representantes son microorganismos que presentan relaciones par-sitas o simbiontes tales como? hongos " levaduras, por lo que son mu" e8tensos.

C. C(LULAS & MICROORGANISMOS AERÓBICOS. %ertenecen en su ma"oría al reino Eucariota (pero también ha" procariotas) son microorganismos " células que respiran (utilizan la glucólisis como orma de respiración celular)? por lo que su metabolismo es constructivo (anabólico) " deben obtener sus nutrientes de dierentes uentes. !us principales grupos est-n representados por: bacterias " microorganismos aeróbicos, plantas " animales? cu"as células se pueden cultivar en suspensiones celulares o bien, en dierentes arreglos articiales o modicadas.

III.). •

•

TIPOS DE CULTIVO *UE SE PUEDEN REALI$AR:

CULTIVOS MICROBIANOS ANAERÓBICOS + FERMENTADOR BACTERIAL CO 2!. $os microorganismos de metabolismos anaeróbico son los m-s simples de todos, tan solo necesitan de un medio de cultivo adecuado, agitación vigorosa " cierta cantidad de *3< disuelto para crecer " multiplicarse. CULTIVOS MICROBIANOS FACULTATIVOS + FERMENTADOR BACTERIAL.


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$os microorganismos acultativos toleran la presencia de o8ígeno en bajas concentraciones " adem-s de un sustrato adecuado, sólo requieren agitación moderada " un medio de cultivo para crecer " desarrollarse. •

•

•

•

CULTIVOS MICROBIANOS AERÓBICOS + FERMENTADOR BACTERIAL O2!. $os microorganismos aeróbicos necesariamente requieren la presencia de o8ígeno disuelto (3+) para sobrevivir? adem-s, agitación moderada " un medio de cultivo rico en nutrientes para poder crecer " desarrollarse. CULTIVOS CELULARES AERÓBICOS & FACULTATIVOS + FERMENTADOR MICÓTICO CO2!. $os cultivos celulares se dierencian de los bacteriales (microbios) en que o son microorganismos procariotas, son eucariotas. !on microorganismos aeróbicos o acultativos pertenecientes al reino ungi (hongos " levaduras), generalmente llamados micóticos, requieren de la presencia de *3 < disuelto en el medio como sustrato limitante de la velocidad de reacción " generan estructuras reproductivas mu" particulares. CULTIVOS CELULARES AERÓBICOS ESTRICTOS + FERMENTADOR CON AIREACIÓN O2!. El cultivo de microorganismos celulares (no bacteriales) aeróbicos estrictos requieren la presencia de o8ígeno disuelto en el medio de cultivo para el metabolismo celular? así como una adecuada agitación.

C(LULAS VEGETALES EN SUSPENSIÓN + BIORREACTOR DE ELEVAMIENTO POR AIRE O2! EN R(GIMEN TURBULENTO R,  "000!. $as células vegetales pueden ser cultivadas en suspensiones celulares: peque7os agregados celulares que se suspenden en el medio de cultivo mediante agitación. +ado que las células vegetales, el dise7o del biorreactor debe incorporar una línea de aireación (aire) para suministrar o8ígeno disuelto (3+) al medio de cultivo. El dise7o debe contar con agitación vigorosa, pues los agregados celulares vegetales tienden a agruparse (clusters) " de alcanzar gran tama7o " peso, precipitarían. %or eso, la operación de este tipo de biorreactores debe ser en régimen turbulento (5e L &'''). $os biorreactores para células vegetales en suspensión generalmente son dise7ados con un mecanismo de levantamiento por aire que combina una agitación vigorosa (turbulenta) con una adecuada aireación (o8ígeno disuelto) del medio de cultivo.


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PROTOPLASTOS VEGETALES + BIORREACTOR DE LEVATAMIENTO POR AIRE O2! EN R(GIMEN LAMINAR R,  2"00!. $os protoplastos son células vegetales desprovistas de su pared celular, esto se logra utilizando enzimas proteolíticas (proteasas " lipasas) que degradan la pared celular. ctualmente, el cultivo de protoplastos no es mu" com6n, pero de realizarse, requiere de una cama de aire (burbujas mu" nas) que opere en régimen laminar (5e M <&''), para evitar que los esuerzos cortantes (esquileo) e hidrodin-micos (agitación) generados en el medio de cultivo da7en (lisis celular) las células en suspensión. También es indispensable que el medio de cultivo contenga las proteasas " lipasas necesarias para evitar la regeneración de la pared celular.

C(LULAS ANIMALES + BIORREACTOR DE LECHO FLUIDI$ADO O2!. $os cultivos de las células animales requieren de pro8imidad mutua " de un soporte sólido (anclaje) para interactuar (comunicación célula ; célula) " poder metabolizar (producir)? esto por cuanto, las células animales, por lo general, no son independientes " deben estar unidas a un sistema (por ejemplo hep-tico) para uncionar adecuadamente. %ar suministrar esa pro8imidad " el soporte necesario, los dise7os de biorreactores para células animales deben aumentar la densidad celular (concentrar) de las células en cultivo. 0na orma de hacerlo es incorporar un lecho #uidizado ormado por cantidad de microeseras acarreadoras hechas de material cer-mico poros inerte que, por su tama7o (micrométrico) orman una interase con el medio de cultivo (#uido) que permite la transerencia de masa (nutrientes " 3+), energía (calor) " momentun (agitación) entre el medio de cultivo " las células en cultivo? lo que es llamado lecho #uidizado. $os cultivos celulares


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animales, por la delicada naturaleza de las membranas plasm-ticas requieren adem-s de o8ígeno disuelto (3+) en el medio de cultivo " de un régimen de agitación laminar (5e M <&''). •

•

•

C(LULAS INMOBILI$ADAS + BIORREACTOR DE FIBRA HUECA O2!. $a inmovilización celular es otra orma de lograr pro8imidad celular " aumentar la densidad celular " la concentración de metabolitos dentro de las células. $a inmovilización es un método mucho m-s eciente " logra rendimientos mu" superiores a los del lecho #uidizado. %ero, los enómenos de transerencia (masa, momentun " energía) se ven mu" limitados por la inmovilidad. Esto es especialmente crítico en cultivos de células de mamíero por cuanto la célula no recibe la nutrición adecuada. $os reactores de bra hueca son los dispositivos m-s utilizados para inmovilizar " concentrar cultivos celulares animales. !u dise7o consiste en una batería de bras huecas " porosas en su interior, colocadas en paralelo. $as células se concentran " aumenta la densidad celular, en los intersticios de las bras huecas. El medio de cultivo #u"e en contrasentido desde el e8terior del reactor o a través de una carcasa como si uera un intercambiador de calor de doble tubo. %ara solventar el problema de la escasa transerencia de masa (nutrientes " 3+) dentro de la bra hueca, un dise7o novedoso es el tambor rotativo en el cual, el tambor e8terno rota sobre la batería de bras huecas, generando una circulación constante de masa " de momentun, aumentando las tazas de transerencia. C(LULAS EMPA*UETADAS + BIORREACTOR DE LECHO EMPACADO O2!. El empaquetamiento celular es una orma menos dr-stica de inmovilización? pues ésta es parcial. También tiene el objetivo de aumentar la concentración " la densidad celular? pero al no estar enclaustradas las células, la transerencia de masa es ma"or, aunque siempre limitada. 0n lecho empacado es una matriz de soporte sólido que retiene las células, bien por geometría (dentro de los intersticios o espacios huecos de la matriz), bien por anidad (paso o adherencia selectiva). 0n biorreactor con este propósito debe contener un lecho de soporte sólido, sumergido en el medio de cultivo. $a o8igenación generalmente se realiza en el e8terior del lecho, a través del medio de cultivo.

CULTIVOS EN$IMÁTICOS + REACTORES DE LECHO CATAL/TICO. $os cultivos enzim-ticos se comportan en algunos aspectos como cultivos celulares " en otros como reactivos químicos. +ebido a que un sustrato enzim-tico es un catalítico de una reacción biológica, la cinética de estos reactores puede simularse como la química, pero sin olvidar que el compuesto es biológico. $os sustratos enzim-ticos deben estar anclados a un lecho semisólido o a un semi#uido (seg6n sea el caso) dependiendo de la naturaleza enzim-tica del sustrato? que por la naturaleza de la enzimas se conocen como lechos catalíticos. 2uchas veces el


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medio de cultivo, adem-s de la enzima, requiere, para un sustrato determinado, su respectivo precursor metabólico llamado coactor, m-s alg6n componente especial que agilice el proceso metabólico.

III..

MODO DE OPERACIÓN & SISTEMAS DE CULTIVO.

El modo de operación de un sistema de cultivo, es sinónimo del modo de operar del biorreactor o ermentador. Nste no solo in#u"e en el dise7o propio del reactor, también, en el modelo cinético de crecimiento del cultivo " en el proceso de producción. E8isten tres modos de cultivo aunados a tres modos b-sicos de operación:

III..1.

DISCONTINUO 34!.

%or lotes o tandas, sin alimentación (/)? se coloca dentro del biorreactor la carga total de cada proceso (tanda o lote) de cultivo o ermentación " se deja que se lleve a cabo el proceso productivo o la ermentación por el tiempo que sea necesario? el cual se denomina tiempo de retención. $as células se cultivan en biorreactor con una concentración inicial, sin que esta sea alterada por nutrientes adicionales o el lavado, por lo que el volumen permanece constante " sólo las condiciones ambientales del medio (%9, temperatura, velocidad de agitación) son controladas por el operador. Es proceso naliza cuando todo el sustrato es consumido por la biomasa.

III..2.

SEMICONTINUO F,6 + 34!.

%or lotes alimentados, con alimentación de entrada (/)? se alimenta una línea de entrada o alimentación (/) para que el sistema de cultivo tenga un producto (biomasa) con m-8imo crecimiento (e8ponencial) " aumente la productividad. $os nutrientes son alimentados al biorreactor de orma semicontinua o continua, mientras que no ha" e#uente en el sistema. $a adición intermitente del sustrato mejora la productividad de la ermentación manteniendo baja la concentración del sustrato. Este proceso est- restringido por la capacidad volumétrica del reactor.

III..".

CONTINUO.

%or quimioestato, se alimenta una línea de entrada / con nutrientes de manera continua " se drena una salida /< o lavado? de manera que los #ujos o caudales de ambas líneas sean iguales " la producción sea continua.

III.7.

TECNOLOGIA EN$IMÁTICA

$a tecnología enzim-tica tiene como objetivo la superación de todos aquellos inconvenientes que parecen retrasar la aplicación de las enzimas en estos procesos a escala industrial, las enzimas son proteínas cu"a unción biológica es catalizar las reacciones que suceden en las células. Esta -rea tiene aplicaciones desde tiempos UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

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remotos como la ermentación, actualmente en dierentes industrias a dierentes niveles, "a que implica la utilización de sistemas enzim-ticos diversos que optimizan el procesamiento en la obtención de detergente, aditivos alimenticios, productos químicos " armacéuticos. $a tecnología enzim-tica se presenta como alternativa biotecnológica basada en que las industrias desarrollen productos de calidad homogénea, aprovechen óptimamente sus materias primas, aceleren sus procesos de producción, minimicen desperdicios " disminu"an el deterioro del medio ambiente.

III.7.1. LAS EN$IMAS COMO CATALI$ADORES $as enzimas son catalizadores de origen biológico que parecen cumplir muchos de los requisitos necesarios para impulsar esta nueva industria química. !on catalizadores mu" activos en medios acuosos " en condiciones mu" suaves de temperatura, presión, p9, etc. !on catalizadores mu" especícos: pueden modicar un 6nico substrato en una mezcla de substratos mu" similares e incluso pueden discernir entre dos isómeros de una mezcla racémica de un compuesto quiral, !on catalizadores mu" selectivos: pueden modicar un 6nico enlace o un 6nico grupo uncional en una molécula que tenga varias posiciones modicables. III.10.

APLICACIONES INDUSTRIALES

En relación con las enzimas, la tecnología moderna contribu"e al ahorro. %or ejemplo, permite la utilización del e8cedente de suero derivado de la abricación del queso. $a lactosa transorma el az6car del suero en una mezcla de glucosa " galactosa con un sabor m-s dulce. sí, se rena el producto " se concentra en una especie de jarabe cu"o sabor recuerda el de la miel, con lo que las aplicaciones en el sector de la contería industrial se hacen innumerables. !e usan también muchos otros tratamientos de las enzimas en la producción de edulcorantes modernos. %or ejemplo, EE.00. se puede constatar que el jarabe del almidón de maíz tiene un alto contenido en ructosa, razón por la cual ha llegado a eclipsado a la sacarosa. $as enzimas presentan muchísimas aplicaciones. *on los procedimientos modernos de abricación de alimentos, benecian tanto a los sectores industriales como a los consumidores. !us características especícas permiten a los industriales ejercer un control de calidad m-s estricto. *on un menor consumo de energía " unas condiciones de tratamiento m-s ligeras, su ecacia avorece el entorno. %ueden utilizarse para tratar los desechos biológicos resultantes de la abricación de alimentos, puesto que las propias enzimas son biodegradables. 2ediante una r-pida absorción natural, las enzimas son el típico ejemplo de Otecnología verdeO.

III.10.1.

ALIMENTOS

$a utilización empírica de preparaciones enzim-ticas en la elaboración de alimentos es mu" antigua. El cuajo, por ejemplo, se utiliza en la elaboración de quesos desde UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

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la prehistoria, mientras que las civilizaciones precolombinas "a utilizaban el zumo de la papa"a. $os enzimas son piezas esenciales en el uncionamiento de todos los organismos vivos, actuando como catalizadores de las reacciones de síntesis " degradación que tienen lugar en ellos. $a utilización de enzimas en los alimentos presenta una serie de ventajas, adem-s de las de índole económica o tecnológica. $a gran especicidad de acción que tienen los enzimas hace que no se produzcan reacciones laterales imprevistas. %ara garantizar la seguridad de su uso deben tenerse en cuenta no obstante algunas consideraciones: en aquellos enzimas que sean producidos por microorganismos, estos no deben ser patógenos ni sintetizar a la vez to8inas, antibióticos, etc. $os microorganismos ideales son aquellos que tienen "a una larga tradición de uso en los alimentos (levaduras de la industria cervecera, ermentos l-cticos, etc.). dem-s, tanto los materiales de partida como el procesado " conservación del producto nal deben ser acordes con las pr-cticas habituales de la industria alimentaría por lo que respecta a pureza, ausencia de contaminantes, higiene, etc.

III.10.2.

INDUSTRIAS LÁCTEAS

El cuajo, que est- ormado por la mezcla de dos enzimas digestivos (quimosina " pepsina) " se obtiene del cuajar de las terneras jóvenes. Estos enzimas rompen la caseína de la leche " producen su coagulación. ctualmente empieza a ser importante también la lactasa, un enzima que rompe la lactosa, que es el az6car de la leche. 2uchas personas no pueden digerir este az6car, por lo que la leche les causa trastornos intestinales.

III.10.".

PANADER/A

En panadería se utiliza la lipo8idasa, simult-neamente como blanqueante de la harina " para mejorar su comportamiento en el amasado. $a orma en la que se a7ade es usualmente como harina de soja o de otras leguminosas, que la contienen en abundancia. %ara acilitar la acción de la levadura, se a7ade amilasa, normalmente en orma de harina de malta, aunque en algunos países se utilizan enzimas procedentes de mohos "a que la adición de malta altera algo el color del pan.  veces se utilizan también proteasas para romper la estructura del gluten " mejorar la plasticidad de la masa. Este tratamiento es importante en la abricación de bizcochos.


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PRÁCTICA Nº2: TIPOS DE BIRREACTORES III.10.#.

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CERVECER/A

0n proceso undamental de la abricación de la cerveza, la rotura del almidón para ormar az6cares sencillos que luego ser-n ermentados por las levaduras, lo realizan las amilasas presentes en la malta, que pueden a7adirse procedentes de uentes e8ternas, aunque lo usual es lo contrario, que la actividad propia de la malta permita transormar a6n m-s almidón del que contiene. *uando esto es así, las industrias cerveceras a7aden almidón de patata o de arroz para aprovechar al m-8imo la actividad enzim-tica.

III.10.5.

FABRICACIÓN DE $UMOS

 veces la pulpa de las rutas hace que los zumos sean turbios " demasiado viscosos, produciéndose también ocasionalmente problemas en la e8tracción " en su eventual concentración. Esto es debido a la presencia de pectinas, que pueden destruirse por la acción de enzimas presentes en el propio zumo o bien por enzimas a7adidas obtenidas de uentes e8ternas. Esta destrucción requiere la actuación de varios enzimas distintos, uno de los cuales produce metanol, que es tó8ico, aunque la cantidad producida no llegue a ser preocupante para la salud.

III.10.'.

FABRICACIÓN DE GLUCOSA & FRUCTOSA A PARTIR DEL MA/$.

0na industria en ranca e8pansión es la obtención de jarabes de glucosa o ructosa a partir de almidón de maíz. Estos jarabes se utilizan en la elaboración de bebidas rerescantes, conservas de rutas, repostería, etc. en lugar del az6car de ca7a o de remolacha. !e obtiene por hidrólisis enzim-tica, que permite obtener un jarabe de glucosa de mucha ma"or calidad " a un costo mu" competitivo. $os enzimas utilizados son las alaPamilasas " las amiloglucosidasas. $a glucosa ormada puede transormarse luego en ructosa, otro az6car m-s dulce, utilizando el enzima glucosaPsomeraza, usualmente inmovilizado en un soporte sólido.

III.10.).

ENERG/A.

0n ejemplo cl-sico de biocombustible es el alcohol obtenido por ermentación de material rico en az6cares " almidón, o de residuos org-nicos varios, inclu"endo los orestales. El principal obst-culo para la viabilidad de esta propuesta es el costo, puesto que el petróleo sigue siendo m-s barato. !in embargo, los avances tecnológicos est-n permitiendo acortar la brecha.


H


IV.

MATERIALES

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V.

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MATERIALES Cuadernos de apuntes Cámara fotográfica Lapicero Graadora

EQUIPOS •

Biorreactores

• • •

PROCEDIMIENTO %rocedemos a ingresar al laboratorio de biotecnología " la proesora melia *astro nos da un breve introducción del tema realizar. $uego nos e8plica acerca del uso " la utilización de los bioreactores en la biotecnología especialmente en las ndustrias limentarias.  continuación la proesora nos da una breve descripción de la estructura b-sica de un bioreactor.

ph

2otor

>-lvula de

 orte de gua de reriger

Toma de muestra

de un $uego la proesora nos$ínea muestra biorector.

gitadores

/iltro de video

relacionado a la instalación de un


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+urante la ermentación se deben observar dos puntos para asegurar la esterilidad: P Esterilidad en el medio de cultivo P Esterilidad del aire que sale " entra


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VI. CONCLUSIONES •

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0n biorreactor es un dispositivo o sistema empleado para hacer crecer células o tejidos en operaciones de cultivo. Estos biorreactores son com6nmente cilíndricos, variando en tama7o desde algunos mililitros hasta metros c6bicos. En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (p9, temperatura, concentración de o8ígeno, etc.) al organismo o sustancia química que se cultiva $os biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la uerza de agitación. También son -ciles de mantener "a que requieren sólo soluciones simples de nutrientes " pueden crecer a grandes velocidades.

VII. BIBLIOGRAF/A •

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bioreactores

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