¡Descarga Introducció- y más Apuntes en PDF de Biotecnología solo en Docsity!
INTRODUCCIÓ
Competitivitat dels bioprocessos
Per què és tant interessant la indústria biotecnològica?
- Els sistemes biològics són processos que es realitzen en condicions de pressió i temperatura similars a les ambientals i a valors de pH generalment pròxim al neutre.
- La matèria prima és d’origen molt divers, incloent residus de processos agroalimentaris.
- El fet de tenir diferents orígens de matèria prima fa que s’obtinguin una gran diversitat de productes.
- Caràcter ambiental. Encara que es generen subproductes o residus que necessiten un tractament, els productes residuals generats en transformacions biològiques seran més biodegradables i per tant de més fàcil tractament. (No preocupa nomes el producte principal que s’obté si no que tots subproducte + producte) Factors per a la implementació 1 de cada 100 estudis arriba a la implementació. Alguns factors comuns a considerar (limitacions):
- ECONÒMICS. Rentabilitat, grau de compliment de la normativa legal.
- OPTIMITZACIÓ DEL PROCÉS. Disposició dels microorganismes seleccionats, millora de la matèria prima (és molt important el tipus de matèria prima), en els equipaments de formació i separació, en el manteniment ...
- ACTUACIONS POLÍTIQUES, AMBIENTALS I LEGALS. Processos promocionats per l’Administració, considerar-se com una manera d’obrir-se camí cap a processos sostenibles i preparar la competitivitat pel futur. Si es genera un producte que ambientalment no és sostenible se li haurà de donar un tractament per a l’abocament.
Esquema d’un bioprocés
Un cop realitzat el procés upstream (de la matèria prima a la fermentació) s’ha de saber on està el producte d’interès: producte extracel·lular (producte segregat) o producte intracel·lular (encara està dins del sistema)
En el cas que sigui un producte intracel·lular s’ha de realitzar un tractament cel·lular (disrupció cel·lular). Hi ha diferents tractaments possibles. El brou conté majoritàriament aigua. També conté restes cel·lulars (sòlids/debris), medi mínim (sals inorgàniques), el producte d’interès i productes secundaris. A partir del brou, es realitza una separació sòlid-líquid. S’han d’eliminar els sòlids. Hi han diferents mètodes possibles. Seguidament, es realitza una concentració, purificació i preparació producte Un cop s’obté el producte d’interès, aquest s’ha de condicionar. És a dir, modificar-lo per a verificar les condicions del comprador.)
EXEMPLES
Productes produïts en bioreactors CATEGORIA EXEMPLE Massa cel·lular Llevat de Baker, proteïna unicel·lular Components cel·lulars Proteïnes intracel·lulars Productes biosintètics Bioconversió Antibiòtics, vitamines, aminoàcids i compostos orgànics Productes catabòlics Xarop de plat de moro d’alta fructosa, Tractament de residus Fang activat, digestió anaeròbica S’ha de tenir en compte que els productes que es formen poden formar part de molts sectors.
PRODUCCIÓ ANUAL DELS PRINCIPALS PRODUCTES BIOTECNOLÒGICS
El que realment interessa en aquesta taula és el producte que és produeix més a la industria biotecnològica com el bioetanol. SABER ELS CINC PRODUCTES MÉS SINTETITZATS A LA BIOTECNOLOGIA A priori, el cost és inversament proporcional a la producció. L’MSG és un gran additiu alimentari. La lysine és un aminoàcid essencial per a la nutrició humana: té un gran paper en l'absorció de calci. Relació concentració. Brou i preu final de venta La concentració del brou es refereix a la quantitat de brou que s’obté just en finalitzar la fermentació. El preu de venta està relacionat en la dificultat del procés de downstream.
Problemes en la separació bioquímica:
- Possibilitat de que sigui un producte intracel·lular
- Característiques del brou : viscositat, “possibly non-newtonian”
- Dilució alta :
- Producte sensible a la temperatura i al pH
- Producte biològicament inestable.
Productes intracel·lulars / extracel·lulars
A partir del brou obtingut en l’etapa de fermentació (upstream) comença l’etapa de downstream. Abans de fer la separació és molt important tenir en compte de si el producte és extracel·lular o intracel·lular. Si el que interessa és un producte intracel·lular abans de fer el procés de separació s’ha de fer el procés de disrupció cel·lular. Un cop es é el producte en el brou es pot seguir amb l’etapa de separació.
INTEGRACIÓ DE PROCESSOS_______________________________
NIVELLS D’NTEGRACIÓ TIPUS D’ACCIÓ
Upstream Inducció de la secreció de producte
Inducció de la floculació de cèl·lules Inducció de la lisis cel·lular Disseny de mitjans de fermentació Unió d’etiquetes d’afinitat al producte Inducció de la resistència de cèl·lules als metabòlits
Fermentació Optimització de les condicions del cultiu
Intensificació del cultiu “in situ removal metabolites during fermentation” Reciclatge cel·lular
Downstream Immobilització cel·lular
Permeabilitat de la cel·lular Sistema de separació de dues fases Separació cel·lular i purificació del producte Disseny de matrius cromatogràfiques
Adsorció : un producte queda adherit a la superfície d’un sòlid Absorció : un producte queda intrigat dintre d'un fluid
2. MODIFICANT EL NIVELL I LA QUALITAT DE L’ENERGIA QUE POSSEEIX TRANSFERÈNCIA DE CALOR: Convecció El gradient és la temperatura, flux d’energia com calor Un exemple és la destil · lació : es juga amb la temperatura d’evaporació. A la pasteurització es genera un gradient de temperatura seqüencial. (exemple d’utilització: llet) Un exemple d’utilització de la liofilització és en la producció de cafè soluble. (eliminació de tota l'aigua) 3. MODIFICANT LA SEVA QUANTITAT DE MOVIMENT CANVI DE MOVIMENT El gradient és la velocitat. Separar productes en aplicar un canvi de moviment.
En aquest cas s’introdueix l’aliment pel mig i automàticament canvien les velocitats i per afecte de la gravetat s’obté una separació de sòlids grans. Hi han dos sortides: brou amb menys contingut de sòlids i brou amb una quantitat de sòlids concentrats
EXEMPLES D’OPERACIONS
UNITÀRIES__________________
Buscar un exemple de cada tècnica.
- Filtració
- Sedimentació
- Centrifugació
- Absorció
- Adsorció
- Extracció
- Destil·lació
- Precipitació
- Cromatografia
- Bescanvi iònic
- Liofilització
- Pasteurització
En el procés de downstream, s’inicia amb el brou obtingut de fermentació. Un cop s’obté el brou abans de fer el procés de separació s’ha de saber la localització del producte (intra o extracel·lular). A l’aïllament primari es vol extreure específicament el producte d’interès. Una operació típica és per sistema d’extracció. Es pot observar com la concentració i la qualitat del producte va augmentant a mesura que es va avançant.
DISRUPCIÓ CEL·LULAR
Etapa inicial en el cas de producte intracel·lular. S’utilitza per obtenir productes presents en la solució interna del citoplasma o proteïnes adherides a la membrana cel·lular Alliberar el producte que es troba a l’interior del microorganisme. Hi han diferents mètodes per a fer una disrupció cel·lular:
1. ELIMINACIÓ D’INSOLUBLES. BAIXA CONCENTRACIÓ DE PRODUCTE Els insolubles es poden eliminar utilitzant diferents operacions unitàries:
FILTRACIÓ
Consisteix en la separació de sòlids d’un líquid mitjançant un medi o pantalla porosa la qual reté els sòlids i permet el pas del líquid Hi ha diferents tipus de membranes: hollow fiber cartridge, plate and farme Device, spiral cartridge El flux (F) és la variació de pressió entre la resistència F= ∆P / R R= Resistivitat membrana + Resistivitat medi Com més petits siguin els porus del filtre, més pressió s’ha d'aplicar. Conseqüentment els costos del procés augmenten.
FILTRACIÓ AL VUIT: Col·locar el filtre més l’embut en el metràs Kitasato. Es connecta al sistema de buit. Introducció d’una pressió constant al metràs Kitasato (que està al buit). Automàticament en aquest filtre se l’hi van emmagatzemant sòlids i, per tant, a pressió constant i resistivitat alta el flux va disminuint a mesura que es va filtrant. Conseqüentment, la capacitat de filtració disminueix. (en un problema s’ha d’explicar en números el perquè de la saturació del filtre, és a dir, utilitzant la fórmula)
2. SEPARACIÓ / CONCENTRACIÓ. S’AUGMENTA LA CONCENTRACIÓ I QUALITAT
DEL PRODUCTE. (separació = separació de dos compostos que puguin haver-hi).
ADSORCIÓ
És el procés quan una molècula es atreta químicament o físicament en la part externa d’una superfície. Es posa un sòlid que té una altra capacitat adsorbent i que en funció de la mida pot ser retingut. Hi ha una columna d’adsorció i automàticament s’introdueix la dissolució amb una concentració del producte. Que passa? El producte es va adsorbint a la columna i a la sortida es veu que la concentració és zero. En passar el temps es veu que la columna es satura. A partir de llavors, hi ha un creixement exponencial de la concentració (ja que no es pot adherir més producte a la columna) dins que s’iguala. El breakpoint (punt de ruptura) és el punt en el qual tota la columna està saturada i el punt de t=4 és quan s'han igualat les concentracions. El moment que s’ha de canviar la columna per a una bona separació és el punt de ruptura (breakpoint). Un cop finalitzat el procés d’adsorció, s’ha d’eluir el producte. Per eluir el producte s’utilitza una substància amb unes propietats determinades per a una desadsorció del producte. En aquesta etapa hi ha certes pèrdues. Normalment s’operen amb dos columnes per a una operació en continu.
ABSORCIÓ
Absorció és el procés on les molècules entren dintre de l’estructura d’un determinat material El material pot ser aigua o gas.
EXTRACCIÓ
És un procés utilitzat per separar mescles utilitzant la diferencia de solubilitat en un solvent de dos components miscibles entre si. Hi ha un medi aquos i orgànic. Si hi h un compost amb molta aigua i es posa la mínima quantitat de fase orgànica no només es fa el procés de separació si no que s’aconsegueix una concentració del producte.
DESTIL·LACIÓ
És un mètode de separar mescles basats en diferencies de punt d’ebullició. La destil·lació real és
3. PURIFICACIÓ. ELIMINAR IMPURESES (restes inorgàniques...)
PRECIPITACIÓ
És la formació d’un sòlid dins d’una solució durant una reacció química. El sòlid que es forma rep el nom de precipitat. Això pot ocórrer quan una substància insoluble, es forma a la solució com a conseqüència d’una reacció o quan una solució queda saturada per un component.
4. AÏLLAMENT DEL PRODUCTE FINAL. DETERMINAT PER L’ÚS FINAL DEL PRODUCTE
Es vol obtenir el producte final amb una qualitat òptima.
CRISTAL·LITZACIÓ
És un procés que consisteix a fer que el sòlid dissolt es vagi dipositant lentament bé sigui per l'evaporació del dissolvent, o bé per la disminució de la seva solubilitat amb el refredament de la solució. Amb la cristal·lització es vol arribar a un producte amb una mida determinada. Dura més que un sistema de precipitació. Té dos fases: nucleació i creixement del cristall En la nucleació, les molècules del solut que es dispersen en el solvent comencen a fer agregats a escala nanomètrica i en formen el nucli. En el creixement del cristall, el nucli continua creixent i l'agregat aconsegueix arribar a la mida crítica. La supersaturació és la força conductora de la cristal·lització
Operacions unitàries de conservació
LIOFILITZACIÓ
És un procés en el que es congela el producte i posteriorment s’introdueix en una cambra de buit per realitzar la separació de l’aigua per sublimació. D’aquesta manera s’elimina l’aigua des de l’estat sòlid al gasós sense passar per l’estat líquid.
És a dir, s’apliquen unes condicions de pressió i temperatura que fan passar el sistema directament de l’estat sòlid al gasos (s’elimina tota l’aigua procés de sublimació de l’aigua)
PASTEURITZACIÓ
És el procés tèrmic amb l’objecte de reduir (no eliminar) els agents patògens com bacteris, protozous, fongs, llevats, etc., que poden existir principalment en aliments. Generalment és utilitzat en el tractament de líquids, alterant el menys possible l’estructura física i els components químics d’aquests. Els aliments s’escalfen fins a temperatures que no passen el punt d’ebullició durant pocs segons i després es refreda ràpidament.
ESTERILITZACIÓ
És el tractament que deixa a l’objecte tractat lliure de tot organisme viu. L’esterilització es pot aconseguir mitjançant l’aplicació de calor, productes químics, les radiacions, alta pressió o filtració.
Exemples de processos biotecnològics
