Biorreactores 3n3i5k

BIORREACTORES Fundamentos

Por: Ing° José Saúl Orbegoso López

06/01/2013

<[email protected]>

Diferencias entre Ing. Bioquímica e Ingeniería Química » La diferencia entre Ing. Bioquímica y la Ingeniería Química estriba no en los principios de las operaciones unitarias y en las unidades de procesos sino en la naturaleza de los sistemas vivientes. » La explotación comercial de células o enzimas tomadas a partir de células está restringida a las condiciones a las cuales ese sistema puede funcionar. » Muchas células de plantas y animales viven a temperaturas moderadas y no toleran pH extremos. » La mayoría de las células de microorganismos solo prefiere condiciones medias pero algunos viven encima de las temperaturas de ebullición del agua o a valores de pH alejados de la neutralidad 06/01/2013

<[email protected]>

Continuación... » Las operaciones comerciales dependen de tener los enzimas u organismos correctos y la prevención de la inactividad o de la entrada de organismos extraños que pueden malograr el proceso. » El pH, temperatura, potencial redox, y el medio nutriente pueden favorecer ciertos organismos y desfavorecer el crecimiento de otros. » EJEMPLO: los pickles son producidos en recipientes por lactobacilos bien adecuados a las condiciones ácidas y con poca posibilidad de contaminación por otros organismos. » En sistemas de cultivo mixto como los usados en tratamiento biológico de aguas servidas hay una dependencia entre la población microbiana y su entorno, que influye en el rendimiento y control. 06/01/2013

<[email protected]>

CONCEPTOS BIOLÓGICOS » CELULA: Unidad de vida. Las células en los organismos multicelulares funcionan en asociación con otras células especializadas. Otros organismos son células simples de vida libre. Organelas celulares Membrana

Núcleo

citoplasma

06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » Citoplasma: Es un sistema coloidal de muchos bioquímicos en una solución compleja de pequeñas moléculas orgánicas y sales inorgánicas. » Membrana: Es una cubierta semielástica, permeable selectivamente que controla el transporte de moléculas hacia el interior como exterior de la célula. » Núcleo: Es el receptáculo de los genes. » Organelas: Son corpúsculos que se encuentran en el citoplasma y cumplen funciones específicas en el proceso de procesamiento de las moléculas y sales . Ejemplo: la fotosíntesis es llevada a cabo por las Organelas llamadas cloroplastos. 06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » En las bacterias y cianobacterias (llamadas formalmente algas verde azul), los cromosomas no son separados por una membrana, y son organizaciones subcelulares aparentes. Cuando tiene un núcleo discreto son llamadas procariotas.

06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » Los organismos de interés especial para la ingeniería bioquímica incluyen células, bacterias, algas y moldes. » Los protozoarios pueden alimentar organismos pequeños en aguas naturales y en procesos de tratamiento de agua de desecho, pero no se usan en materiales de valor comercial. » Ciertos viruses llamados fagos tienen importancia por que pueden infectar microorganismos y pueden destruir cultivos. Esto es llamado transducción. Cada especie de microorganismos crece dentro de ciertos rangos de pH y temperatura, comúnmente entre 20 y 40 °C (65 - 104°F) y no muy lejos del pH neutro 06/01/2013

<[email protected]>

Conceptos Biológicos » BACTERIA: Son organismos celulares simples, en el rango de 0.5 - 20 µ m , solo algunos exceden 100 µ m de largo. Pueden tener forma circular, ovalada, plana o espiral. Algunas pueden variar de forma dependiendo de las condiciones de cultivo, llamado pleomorfismo .

06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » Ciertas especies son caracterizadas por su arreglo de células en bloques, cadenas o paquetes discretos. » Algunas células producen pigmentos que dan un color característico a las colonias bacterianas. » El citoplasma de las bacterias pueden contener numeroso gránulos que contienen carbohidratos y lípidos, así como pueden contener plásmidos que son piezas de material genético existente fuera del genoma principal. » Muchas plásmidos pueden utilizarse para introducir genes extraños a la bacteria y que la pueden dar nuevas capacidades de la bacteria extraña . » Muchas bacterias pueden desplazarse por medio de flagelos, y se reproducen por división celular binaria. 06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » Bajo condiciones adversas ciertos microorganismos producen esporas que germinan bajo ciertas condiciones de ambiente favorable. Estas son estables, y pueden sobrevivir extremos de sequedad y temperaturas extremas.

06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » ALGAS: Son organismos fotosintéticos cuyo tamaño puede alcanzar proporciones gigantescas de hasta 20 pulg (66 pies). » Algunos bioquímicos comerciales obtienen estas algas de origen marino y algas que consumen oxígeno y nutrientes en algunos procesos de tratamiento biológico de las aguas de desecho.

06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » Por otro lado, el rápido crecimiento de las algas frente a otras plantas verdes ofrece grandes potencialidades para la producción de biomasa para energía o alimentos químicos, haciendo posible la existencia de pequeñas industrias de algas . » Uno de los procesos utilizados por Dunaliella, es el de una especie que crece a altas concentraciones de salinidad y glicerol acumulado internamente a alta presión osmótica externa. Deben hacerse a campo abierto por que el crecimiento de las células demanda de alta iluminación.

06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » HONGOS: Se caracterizan por ser cuerpos vegetativos simples a partir de los cuales las estructuras reproductivas son elaboradas. » Todas las células fungosas poseen distinto núcleo y produce esporas en cuerpos frutícolas especializados en alguna etapa de su ciclo de vida. »Los hongos no contienen clorofila y asimismo requiere de fuentes de moléculas orgánica complejas para su crecimiento.. Muchas especies crecen sobre materiales orgánicos muertos, y otras viven como parásitos. »Las células son una clase de hongo. Son organismos unicelulares separados por una pared celular y poseen distintos núcleos. También pueden formar esporas 06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » PLANTAS AISLADAS Y CELULAS ANIMALES: La biotecnología incluye la recuperación de bioquímicos intactos de animales y plantas. » Los procesos con sus celdas aisladas tienen mucho en común con los procesos basados en microorganismos. La celda tiende a ser más frágil que la célula microbiana y los rangos de pH aceptables son más cortos. Estas celdas viven en agregados y usualmente requiere enzimas para liberarlas. » Existe una fuerte tendencia de las células de atacar todo y la superficies son atacadas por las células de cultivo. » Las células de animales y plantas tienen numerosos cromosomas. Las velocidades de crecimiento son relativamente lentas 06/01/2013

<[email protected]>

Continuación ... » Un medio nutriente típico contiene vitaminas y factores de crecimiento en adición a las fuentes de complejo nitrógeno, por que otras células especializadas en las estructuras originales originales cubre esas necesidades.. » Una célula animal o de planta no es como una célula microbiana pues esta tiene habilidad para funcionar independientemente.

06/01/2013

<[email protected]>

» VIRUSES: » Son partículas de tamaño debajo de la resolución del microscopio de luz y están compuestas principalmente por un ácido nucleico, tal como el DNA o RNA, aislados por una membrana proteica. » Existen como parásitos alojadas específicamente intracelularmente. Muchas bacterias y moldes están sujetos a invasión por viruses particulares. » Los que atacan a las bacterias se llaman bacteriófagos. Pueden ser virulentos o temperados (lisogénicos). » Los bacteriófagos virulentos dividen las fuentes celulares para la manufactura de partículas fagos; las nuevas partículas fagos son enviados al medio como la célula alojada y se divide. Los bacteriófagos temperados no tienen efecto inmediato en la célula alojadora. Atacan el cromosoma bacterial 06/01/2013

<[email protected]>

» VIRUSES: » Pueden ser llevados por muchas generaciones siendo activada su virulencia por algunos eventos físicos o químicos.

06/01/2013

<[email protected]>

» BIOQUÍMICOS: » Todos los organismos requieren fuentes de carbón, oxígeno, nitrógeno, fósforo, agua y elementos trazadores. Algunos tienen requerimientos específicos de vitaminas. Las plantas verdes necesitan solo CO2, iones nitrato o amonio, minerales disueltos y agua para manufacturar todos sus componentes celulares. » La bacteria fosfosintética requiere fuentes específicas de iones hidrógeno, y las bacterias quimosintéticas puede tener un sustrato oxidizable. » Algunos microorganismos tienen la habilidad para “fijar” el nitrógeno atmosférico por reducción. Los organismos que usan solo componentes inorgánicos imples como nutrientes se dice que son autotrópicos . 06/01/2013

<[email protected]>

» BIOQUÍMICOS: » Los organismos que requieren manufacturar componentes por otros organismos son llamados heterotopicos. Muchos heterotrópicos segregan enzimas (exoenzimas) que hidrolizan moléculas grandes tales como el almidón y celulosa para unidades pequeñas que puedan ingresar a la célula. » Las proteínas son macromoléculas que juegan muchos roles como servir como enzimas o componentes de las membranas celulares y músculos. Los anticuerpos que proteden contra la invasión por sustancias extrañas son esas proteínas. Hay 20 amino ácidos que forman regularmente la naturaleza principal de las proteínas. Por que la proteina es una secuencia de aminoácidos, cuyo número teórico es astronómico. Esa secuencia es referida como la estructura primaria de una proteína. 06/01/2013

<[email protected]>

» BIOQUÍMICOS: » Las cadenas de polipéptidos son coloides u hoja para proporcionar estructura secundaria a las moléculas, y ligandos a través de otros grupos funcionales, (bisulfuros) forma estructura terciaria. Para algunas moléculas de proteínas, estos pueden tener arreglos espaciales formando agregados definidos, conocidos como estructura cuaternaria de proteína. Para que un polímero polipeptídico tenga actividad biológica un cierto arreglo molecular es necesario. Esto requiere no solo de la estructura primaria sino secundaria, terciaria y cuaternaria. En cada estructura hay que especificar de la . Proteína. » Puede ocurrir la desnaturalización de las estructuras proteicas bajo calor excesivo, radiación, pH desfavorable. 06/01/2013

<[email protected]>

» BIOQUÍMICOS: » Las enzimas, una clase de proteínas, son catalizadores biológicos que producen reacciones por pequeñas cantidades de energía de activación requeridas para que ocurran. » Una enzima tiene un sitio activo donde se produce la reacción. El resto de la enzima es inerte. Las regiones que son reconocidas por anticuerpos inhabilitan al sistema viviente para identificar e inactivar proteínas extrañas. Las reacciones inmunológicas incluyen anticuerpos son una defensa contra tales proteínas extrañas. Las enzimas funcionan en conjunto con otra clase especial de componentes conocidos como coenzimas » Las coenzimas no son proteínas, pero incluyen vitaminas (niacina, riboflavina) en su estructura molecular. Son portadores 06/01/2013

<[email protected]>

» BIOQUÍMICOS: » Cientos de reacciones metabólicas ocurren en las células simultáneamente, y un simple compuesto puede participar en varias distintas reacciones. » Por la acción de masa, los cambios causados por una reacción produce efectos en la cinética y la concentración de equilibrio de otra

06/01/2013

<[email protected]>

» BIOQUÍMICOS: » La eficiencia celular es mejorada por inhibición o regulación de la síntesis de enzimas innecesarias, talque esas son dos clases de enzimas: 1

Aquellas que son constitutivas.

2. .Las que son inducibles o sintetizables » Cuando se necesita las sintetizables en respuesta a un inducidor, usualmente el sustrato inicial en una forma. » Las enzimas que son inducidas en un organismo pueden ser constitutivas en otras

06/01/2013

<[email protected]>

» BIOQUÍMICOS: » Los microorganismos enhiben preferencias nutricionales. Las enzimas para sustratos comunes como la glucosa son usualmente constitutivas, tales son las enzimas para formas de metabolismo esencial o común. Además, la síntesis de enzimas por ataque sobre los sustratos menos comunes como la lactosa es representada por la presencia de cantidades apreciables de sustrato o metabolitos comunes. .

06/01/2013

<[email protected]>

» ENERGÍA: » Muchas reacciones metabólicas una vez activadas proceden espontáneamente con un net de energía. La hidrólisis y los rearreglos moleculares son ejemplos de reacciones espontáneas . » La conversión hidrolítica del almidón en glucosa, resulta de una red de energía, pero un gran número de reacciones bioquímicas no son espontáneas y requieren de energía. » En los sitemas vivientes este requerimiento se halla por acoplamiento una reacción requiere energía con reacción de energía. » Si una cantidad de energía es producida por una reacción metabólica, ello puede ser usado para sintetizar un componente de alta energía como adenosin trifosfato (ATP). Cuando el terminal fosfato es roto, se forman adenosin difosfato (ADP) y fosfato inorgánico, y energía es producida. 06/01/2013

<[email protected]>

» ENERGÍA: » En los sistemas biológicos, el más frecuente mecanismo de oxidación es la eliminación de H2, e inversamente, la suma de hidrógeno es el método común de reducción. » La adenina nicotinamida dinucleótido (NAD) y la nicotinamida adenin dinucleótido fosfato (NADP) son dos coenzimas que están en la oxidación y reducción. » Esos factores pueden actuar entre las reacciones bioquímicas tal que uno conduce a la otra, o su oxidación puede ser acoplada para la formación de ATP. Sin embargo los pasos relacionados con el consumo de energía requiere de fuerzas conductoras y pérdidas en cada paso tal que la eficiencia global es afectada.

06/01/2013

<[email protected]>

» FOTOSÍNTESIS: » Todas las células vivientes sintetizan ATP, pero solo las plantas verdes y unos cuantos microorganismos fotosintéticos (o fototrópicos) pueden conducir reacciones bioquímicas para formar ATP con energía radiante a través del proceso de fotosíntesis. » Todos los organismos fotosintéticos contienen uno o mas de los grupos de pigmentos verdes llamados cloroplastos. El número por célula de membrana . Cloroplastos varía con la especie y condiciones ambientales » En plantas grandes, numeroso cloroplastos se hallan en cada célula del tejido mesófilo de salida, mientras que en las algas pueden contener un solo cloroplasto. » Un cloroplasto tiene 06/01/2013

<[email protected]>

» MUTACIÓN E INGENIERÍA GENÉTICA: » La exposición de organismos a agentes tales como desechos químicos, luz ultravioleta, y rayos-x incrementa la velocidad de mutación por el daño a los cromosomas. » En el desarrollo a través de la mutagénesis la idea es limitar la exposición mutagénica por la muerte de cerca del 99 % de los organismos. Los escasos supervivientes de este intenso tratamiento son mutantes. » Las mutaciones son perjudiciales para la célula, pero un pequeño número puede tener importancia económica ya que la mutación controlada puede dar dividendos económic. » Actualmente se usa en biotecnología para el mejoramiento genético basado en lo que se denomina la tecnología del DNA recombinante. 06/01/2013

<[email protected]>