INTRODUCCIÓN A LOS BIOPROCESOS
Download
1 / 29

Ingenier - PowerPoint PPT Presentation


  • 299 Views
  • Uploaded on

INTRODUCCIÓN A LOS BIOPROCESOS Parte II. Ingeniería Bioquímica I. . Evolución y características de los bioprocesos . Introducción a las operaciones de un proceso biotecnológico . Selección de un proceso. Alejandra Bosch. SELECCIÓN DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICO ASPECTOS QUE INTERVIEN

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Ingenier' - lotus


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

INTRODUCCIÓN A LOS BIOPROCESOS

Parte II

Ingeniería Bioquímica I

  • . Evolución y características de los bioprocesos

  • . Introducción a las operaciones de un proceso biotecnológico

  • . Selección de un proceso

Alejandra Bosch


SELECCIÓN DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICO

ASPECTOS QUE INTERVIEN

EN LA SELECCIÓN DE UN PROCESO

A) ECONÓMICO

Relacionados con el mercado y especificaciones del producto

Evaluar el potencial económico del producto

B) TÉCNICO

Relacionados con el diseño del proceso

Desarrollar y evaluar varios esquemas de operación para obtener el Diseño óptimo

DESARROLLAR UN DISEÑO COMPLETO DEL BIOPROCESO

Secuencia de operaciones de separación

El equipamiento requerido


¿Cuáles podrían ser los productos de interés?

  • Productos

  • insulina, antibióticos,

  • hormonas, enzimas

    • Procesos y servicios que emplean microorganismos

    • cervezas, vinos, vacunas,

    • organismos para biorremediación


Material biológico de partida

Células animales

Células vegetales

bacterias


Proteínas

  • Son las macromoléculas biológicas más abundantes

  • Se encuentran en todas las células y en todas partes dentro de las células

  • Existen miles de diferentes tipos y tamaños de proteínas

  • Exhiben una gran cantidad de diversidad de funciones



SELECCIÓN DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICO

ASPECTOS QUE INTERVIEN

EN LA SELECCIÓN DE UN PROCESO

A) ECONÓMICO

Relacionados con el mercado y especificaciones del producto

Evaluar el potencial económico del producto

B) TÉCNICO

Relacionados con el diseño del proceso

Desarrollar y evaluar varios esquemas de operación para obtener el Diseño óptimo

DESARROLLAR UN DISEÑO COMPLETO DEL BIOPROCESO

Secuencia de operaciones de separación

El equipamiento requerido


Especificaciones del material de partida y producto

  • 1)ESPECIFIACIÓN DEL PRODUCTO: DEFINIR EL OBJETIVO FINAL

  • (“Start at the end”) Definir el producto y su utilización:

  • - producto final (cual es?, Cómo se usa?)

    • pureza requerida

    • rangos de concentración de impurezas permitidas

    • alguna impureza que deba ser eliminada

    • Tioxicidad, estabilidad,

2)CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL DE PARTIDA

-fuente: bacteria (E. coli) fermentación

cultivo de células (presencia albúmina, suero , restos de membranas-

levaduras (producto intracelular o extracelular?)

-Características fisicoquímicas del material de partida ( viscosidad, tamaño de partículas) y del producto final (pI, PM, estabilidad,)


SELECCIÓN DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICO

ASPECTOS QUE INTERVIEN

EN LA SELECCIÓN DE UN PROCESO

A) ECONÓMICO

Relacionados con el mercado y especificaciones del producto

Evaluar el potencial económico del producto

B) TÉCNICO

Relacionados con el diseño del proceso

Desarrollar y evaluar varios esquemas de operación para obtener el Diseño óptimo

DESARROLLAR UN DISEÑO COMPLETO DEL BIOPROCESO

Secuencia de operaciones de separación

El equipamiento requerido


Una vez definido

El producto

La pureza deseada

La concentración deseada

A) ASPECTOS ECONOMICOS

PRODUCTO


PROCESO DE SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN

  • Definir las operaciones y secuencia de separación

Objetivo de este paso es explotar al máximo las propiedades fisicoquímicasque diferencian al producto deseado del resto de los productos “contaminantes” de la manera más económica

  • i) elegir entre OPERACIONES alternativas

  • ii) diseño de una SECUENCIA ÓPTIMA para obtener máximo rendimiento con el menor número de pasos

  • - Existen muchas alternativas y en diferente orden

  • (es un problema de combinatoria)



1.- Remoción celular: Centrifugación - filtración

2. DISRUPCIÓN CELULAR Y SEPARACIÓN DE RESTOS CELULARES

La técnica más recomendada para alta escala son los homogeinizadores (Gaulin homogenizer)

- Homogeinización: - suspensiones celulares 15-20% (peso seco)

- concentración celular no afecta la eficiencia

- es necesario refrigerar (4-5ºC)

- Modelos más grandes 6,000 L/h (levaduras y bacterias)

  • Molinos de perlas

  • pequeñas perlas de vidrio (0.3-0.4mm )

  • - diferentes diseños de agitadores

  • - concentración de células afecta la eficiencia

  • concentración óptima  30-60% peso húmedo

  • modelos mas grandes 2000 L/h

  • Ruptura química o enzimática

  • limitado a baja escala (Lysozyme, Triton, otras)


  • Separación de restos celulares

    • centrifugación (no adecuada)

    • ultrafiltración (300,000 – 500,000 o mayor)

    • Microfiltración (0.1 m.)

    • partición en dos fases acuosas

    • (células rotas y restos quedan en la fase inferior)

    • CDR (cell Debris Remover: Whatman)

  • 3. CONCENTRACIÓN

  • Los productos deben concentrarse hasta 10-50 veces.

  • Técnica preferida : Ultrafiltración

  • - partición líquido-líquido. Extracción con solventes

  • - Precipitación (sulfato de NH4)

  • -Evaporación

  • - Destilación


    • 4.- PRETRATAMIETNO O EXTRACCIÓN DEL PRODUCTO

      • Adsorción

      • Intercambio iónico

      • Cromoatografía de intercambio hidrofóbico

    • 5.-PURIFICACIÓN DE ALTA RESOLUCIÓN

      • - Cromatografía de interacción hidrofóbica (HIC)

      • -Cromatografía de intercambio iónico de alta resolución

      • - Cromatografía de afinidad

      • - Cromatografía metal quelante (IMAC)

      • . Otras cromatografías: dye-ligand chromatography

      • (triazine-colorante)

    6. ACABADO

    esterilización y estabilización del producto

    deshidratación, liofilizado, estabilización (sales)


    PROCESO DE SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN

    • i) elegir entre OPERACIONES alternativas

    • ii) diseño de una SECUENCIA ÓPTIMA para obtener máximo rendimiento con el menor número de pasos

    • - Existen muchas alternativas y en diferente orden

    • (es un probelma de combinatoria)

    ¿Cómo elegimos las operaciones y secuencias?


    • Solución rigurosa o solución algorítmica

    • Resuelve qué operaciones son apropiadas pero NO SECUENCIA

    • Utilización de las reglas de oro de la purificación - Método Heurístico.

    • Resuelve las OPERACIONES y la SECUENCIA

    • 3. Uso de TECNICAS DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL:

    • SISTEMAS EXPERTOS (SE)

    • - utilizan el conocimiento empírico

    • escanean toda la información acerca de las propiedades de la muestra y las operaciones

    • toma en cuenta las reglas de oro de la purificación

    • utilizan correlaciones matemáticas y bases de datos

    • Encuentran una solución óptima al problema del proceso de purificación y la secuencia


    1.- Solución rigurosa o solución algorítmica

    Utilización de métodos numéricos clásicos, ecuaciones de diseño.

    Resuelve el punto de OPERACIONES permitiendo elegir entre operaciones alternativas.

    Emplea técnicas de programación matemática. Crean un diagrama de flujo que contiene todas las posibles alternativas de diseño



    2. Utilización de las reglas de oro de la purificación Método Heurístico.

    REGLA 1 “Elegir procesos de separación basados en diferentes propiedades físicas, químicas o bioquímicas”

    REGLA 2 “Separar las impurezas más abundantes primero”

    Es importante eliminar el agua en las primeras etapas del proceso. Tratar de reducir el material de trabajo hasta un 90% del volumen inicial

    REGLA 3 “Seleccionar un procesos que permita aprovechar al máximo las diferencia entre las propiedades fisicoquímicas del producto y los contaminantes.

    - Se deben conocer las propiedades del producto y de las principales impurezas

    REGLA 4 “Realizar las separaciones más caras y difíciles al final”

    KEEP IT SIMPLE!


    Propiedades de las prote nas a tener en cuenta en los proceso de separaci n y purificaci n

    Ejemplo REGLA 1 Método Heurístico.

    REGLA 1 “Elegir procesos de separación basados en diferentes propiedades físicas, químicas o bioquímicas”

    Propiedades de las proteínas a tener en cuenta en los proceso de separación y purificación

    • Propiedades físico - químicas

    • Punto isoeléctrico

    • Carga, curva de valoración

    • Tamaño, PM

    • Especificidad por ligandos

    • Propiedades de superficie (hidrofobicidad)

    • Estabilidad


    Distribuci n de pis

    100 Método Heurístico.

    90

    80

    70

    Number of Proteins

    60

    50

    40

    30

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    pI

    20

    10

    0

    20 40 60 80 100 120 140 160

    M. W. ´s (x103)

    Características fisicoquímicas de las principales proteínas de E. Coli

    Distribución de PIs

    Distribución de PM

    70

    60

    50

    40

    Number of Proteins

    30

    20

    10


    Operaciones de Separación y Purificación de proteínas en gran escalaMétodos de Recuperación y purificación y las correspondientes propiedades físicoquímicas involucradas en la operación [*]

    Operation

    Physico-chemical property

    Centrifugation

    Sedimentation Velocity

    Filtration

    Particle size

    Microfiltration

    Particle size

    Homogeneization

    Intracellular nature (pressure gradient)

    Bead milling

    Intracellular nature (liquid/solid shear)

    Ultrafiltration

    Mol

    ecular size

    Two phase extraction

    Partition coefficient

    Precipitation

    Solubility (hydrophobic interaction)

    Adsorption

    Van der Waals forces, H bonds, polarities,

    dipole moments

    Ion

    -

    exchange

    Charge (titration curve)

    Hydrophobic interaction

    Surface hydrop

    hobicity

    Affinity chromatography

    Biological affinity

    Gel filtration

    Molecular size

    Reversed phase liquid chromatography

    Hydrophilic and hydrophobic interactions

    [*] Prokopakis and Asenjo (1990)


    Sintesis de un proceso de bioseparaci n aproximaci n heur stica
    SINTESIS DE UN PROCESO DE BIOSEPARACIÓN gran escalaaproximación Heurística

    Intracelular

    remoción del componente más abundante

    1. SEPARACIÓN CELULAR

    PASOS

    1. Desarrollar un diagrama de bloques con las principales etapas

    2. Seleccionar para cada etapa las operaciones alternativas tratando de emplear las reglas

    2. DISRUPCIÓN CELULAR

    REMOCIÓN DE RESTOS CELULARES Y DESECHOS

    Extracelular

    3. CONCENTRACIÓN

    4. PRETRATAMIENTO

    Es muy importante la elección del PASO INICIAL, ya que es el que debe eliminar la mayoría de los contaminantes. Los pasos subsiguientes son empleados para eliminar los contaminantes de menor importancia

    5. PURIFICACIÓN DE ALTA RESOLUCIÓN

    6 ACABADO


    • 3. Uso de TECNICAS DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL: gran escala

    • SISTEMAS EXPERTOS (SE)

    • - utilizan el conocimiento empírico

    • escanean toda la información acerca de las propiedades de la muestra y las operaciones

    • toma en cuenta las reglas de oro de la purificación

    • utilizan correlaciones matemáticas y bases de datos

    • Encuentran una solución óptima al problema del proceso de operaciones y la secuencia


    Base de datos. Conocimiento requerido para solucionar el problema específico. Reglas de purificación. Conocimiento empírico.

    Motor deductivo. Es el programa que utiliza el conocimiento para tomar decisiones.

    Permite la comunicación entre el conocimiento y el programa.

    Secuencia de operaciones en un proceso downstream y la comparación entre varios métodos de separación en términos de costos y eficiencia


    Muestra la implementación de dos criterios para seleccionar la mejor secuencia de operaciones para la purificación de una mezcla simple de proteínas y otra compleja (sobrenadante de cultivo)

    selection separation coefficient (SSC criterion)

    final level of purity (Purity criterion)

    ????

    The design of downstream processes for large-scale protein purification


    ii) Escala de operación la mejor secuencia de operaciones para la purificación de una mezcla simple de proteínas y otra compleja (sobrenadante de cultivo)

    Ver la compatibilidad entre la operación y la escala en la cual se va a diseñar

    Analizar el límite que poseen las operaciones elegidas

    iii) Número de etapas

    Debe considerarse en el diseño si los procedimientos seleccionados requieren de alguna etapa de regeneración, elusión del producto deseado, etc

    iii) Costos

    • costos de operación

    • Costos fijos

    • Gastos de planta

    • administración (impuestos)

    • Investigación y desarrollo


    ad