Bioprocesos industriales

BIOPROCESOS INDUSTRIALES.

El bioproceso es una parte esencial de muchas industrias de alimentos, de la industria química y de las industrias farmacéuticas. En los bioprocesos industriales se pueden utilizar células microbianas, células animales, células vegetales o componentes celulares como las enzimas para elaborar nuevos productos y tratar desechos peligrosos.

A lo largo de la historia los procesos se han ido modernizando, pero es un hecho que las fermentaciones las realiza el ser humano desde la antigüedad. El costo de los productos elaborados mediante fermentación va desde los más baratos como el alcohol, algunos solventes orgánicos, hasta los más caros como las proteínas terapéuticas y vacunas. Otros productos de la fermentación pueden ser las mismas enzimas o las células microbianas como las levaduras.

Catálisis enzimática. Las enzimas son proteínas con una estructura tridimensional única capaz de unirse a un sustrato que puede ser o no una pequeña molécula, y cataliza una reacción específica en condiciones ambientales de presión y temperatura. De acuerdo a la reacción que catalizan, las enzimas pueden clasificarse en i) oxidorreductasas, ii) transferasas, iii) hidrolasas, iv) liasas, v) isomerasas y vi) ligasas.

La ventaja de las enzimas es que el producto obtenido de la reacción catalizada es mucho más puro enantioméricamente quiral que las mezclas racémicas obtenidas por síntesis química. En la figura 1 se muestran las estructuras enantioméricas del ácido tartárico. Para un proceso catalizado por enzimas o se obtiene la estructura D(+)  o la L(-), y en la síntesis química se puede producir la mezcla de ambos (mezcla racémica). En la figura 2 se muestra la molécula de la talidomida, que en síntesis química se produce la mezcla racémica que para separar los componentes se requiere de un proceso no tan simple.

[pic 1]

Figura 1. Ejemplo de los enantiómeros del ácido tartárico. Si se pone un espejo entre ellos, se verá la imagen especular, pero ópticamente son diferentes al desviar la luz.

[pic 2]

Figura 2. Enantiómeros de la talidomida. La unión del nitrógeno con el anillo de 6 tiene dirección hacia arriba del plano del papel en la estructura superior y hacia abajo del papel en la estructura inferior.

El proceso de producción por enzimas puede requerir de una sola enzima o un conjunto de ellas, en cuyo caso se utiliza el organismo completo si es que contiene todo el complejo enzimático necesario para la producción del producto deseado.

Las enzimas pueden estar en solución o inmovilizadas, es decir, unidas a un soporte sólido o atrapadas en una matriz macroscópica. La importancia de la inmovilización es que pueden reutilizarse y separarse con facilidad de la solución de reacción. El uso de células completas inmovilizadas también se puede llevar a cabo sin pérdida significativa de la actividad enzimática deseada.

Un proceso de gran escala donde se utilizan las enzimas isomerasas es en la producción de jarabe fructosado de maíz, o las hidrolasas en la hidrólisis de la penicilina G utilizando una hidrolasa, o la transferasa para la producción de ciclodextrina.

Otras enzimas ampliamente utilizadas son aditivos en los detergentes como las proteasas, lipasas, amilasas y celulasas y éstas se producen en grandes cantidades mediante purificación.

Catalizadores celulares. Las células se clasifican como se muestra en la figura 3. Los procariotes son los tipos celulares que no contienen núcleo y los eucariotes si. De todos estos tipos de células, las más utilizadas en los bioprocesos, hasta el momento, son las bacterias, los hongos y las levaduras. Actualmente sólo los protozarios son los que no han sido utilizados en los bioprocesos (ver tabla 1).

[pic 3][pic 4]

Figura 3. Clasificación de los diferentes tipos de células.

En la gran mayoría de los bioprocesos, se utilizan cultivos de un solo tipo de células y muy pocos se llevan a cabo con mezclas de organismos. En los procesos de biorremediación ambiental es donde se utilizan mezclas indefinidas de diferentes tipos celulares (lodos activados principalmente) en los procesos de tratamiento de aguas residuales o de lixiviación de la minería.

1. Bacterias: Organismos unicelulares con pared celular rígida. En los bioprocesos hay que mantener las condiciones ambientales (composición del medio, la temperatura, los gases generados y el pH) que permitan el óptimo crecimiento celular. Existen tres tipos de bacterias, de acuerdo a sus requerimientos de oxígeno: i) Anaeróbicas, las que no requieren oxígeno como último aceptor de electrones; ii) las anaerobias facultativas, que pueden crecer en presencia o ausencia de oxígeno; y iii) las aeróbicas, que si requieren el oxígeno de forma indispensable para crecer.

De acuerdo a la temperatura óptima, las bacterias se clasifican en i) psicrófilas (crecen a temperaturas entre 10 y 20 °C); ii) mesófilas (crecen a temperaturas entre 20 y 40 °C); iii) las termófilas (crecen a temperaturas entre 40 y 60 °C); y iv) las extremófilas (crecen a temperaturas de hasta 100 °C).

De acuerdo al pH óptimo para el crecimiento, la mayoría alcanzan su mejor crecimiento a pH entre 6,5 y 7,5, aunque hay las que crecen a pH’s muy bajos o muy altos.

Un tipo de bacterias son los actinomicetos. Estos crecen en forma de micelio, como los hongos eucarióticos, provocando que los medios de cultivo se hagan muy viscosos, afectando a la transferencia de oxígeno al medio líquido. Se utilizan principalmente para producir antibióticos.

Los géneros bacterianos más ampliamente utilizados en bioprocesos son: Escherichia, Bacillus, Corynebacterium, Clostridium, Acetobacter, Pseudomonas, Lactobacillus y Zymomonas. Algunas especies se han utilizado previa modificación genética o por ingeniería genética.

Los medios de cultivo para bacterias no son costosos, se pueden preparar altos volúmenes de medio de cultivo y se han producido desde ácidos orgánicos, aminoácidos y vitaminas, hasta biopolímeros y proteínas farmacológicas. Debido a que las bacterias no pueden hacer modificaciones postraduccionales (darle la forma tridimensional a la proteína) es que almacenan la proteína en cuerpos de inclusión intracelulares, lo que complica su purificación como moléculas activas. Aún así se han producido en Escherichia coli la insulina, los interferones, las interleucinas, la hormona del crecimiento humana, entre otras proteínas.

1. Hongos. Los hongos se dividen en mohos y levaduras.

Las levaduras son organismos unicelulares que pueden crecer formando colonias. La más común de las levaduras es la Saccharomyces cerevisiae. El medio de cultivo donde crece no es costoso y se utiliza principalmente para obtener alcohol. También se utiliza en la panadería y como aditivo en alimentos, al elaborar su extracto. También ha sido posible modificarlas genéticamente. La levadura Pichia pastoris, se ha constituido como un modelo de producción de albúmina del suero humano

Los mohos son multicelulares. Crecen formando micelio (una estructura vegetativa) muy ramificado. Son organismos aeróbicos y su crecimiento miceliar provoca que aumente la viscosidad del medio de cultivo, causando problemas de transferencia de oxígeno y en la agitación mecánica del medio. El género más utilizado es Aspergillus, para la producción de ácido cítrico o Penicillium, para la producción de antibióticos. La riboflavina puede ser producida por el hongo Ashbya gossypii. Otros hongos filamentosos, como los del género Trichoderma se han utilizado para la producción de enzimas como las amilasas, celulasas y glucoamilasas.

1. Células de mamífero. Comenzaron a utilizarse en la década de los 80’s del siglo XX con la producción de terapéuticos recombinantes para humanos y la principal área de terapia para los que se usan los productos generados por este tipo de células son la hematología, la diabetes, la endocrinología, la oncología, el sistema nervioso central y las enfermedades infecciosas. En los 50’s del siglo pasado se produjo la vacuna de la poliomielitis utilizando líneas celulares de mamíferos.

También se han producido anticuerpos monoclonales utilizando células de mamífero con DNA recombinante. Actualmente la línea celular de ovario de hámster chino (CHO) es la más utilizada para producir proteínas terapéuticas con la ventaja sobre las bacterias, que ya se producen con las modificaciones postraduccionales y así las excretan al medio para sólo purificarlas.

En un proceso de producción industrial estas células presentan inestabilidad en su producción; su medio de cultivo es muy complejo y uno de sus nutrientes principales, el suero fetal de ternero puede contaminarse con facilidad por virus, principalmente. Los equipos por lo tanto son muy costosos para disminuir el problema por contaminación, lo que encarece el costo del proceso.

...