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8/16/2019 Recuperacion de Productos1
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RECUPERACION DE PRODUCTOS
I. INTRODUCCION:
La comercialización de nuevos productos conseguidos a través del empleo
de la “biotecnología”, demanda de un coordinado encaje de operaciones
unitarias a fn de ampliar un proceso efciente
El objetivo general de este proceso es cambiar materia prima
relativamente de bajo costo en productos de mayor importe comercial.
En este sentido la biotecnología se puede concretar como “la colección de
procesos industriales ue comprenden el uso de sistemas biológicos”.
El punto central de este proceso es el biorreactor. En esta unidad de
operación se manipulan catalizadores biológicos !microorganismos, células
vegetales ó animales, enzimas, virus, etc." para la obtención de
sustancias, alimentos, agentes terapéuticos, etc. de interés.
#o obstante, el biorreactor no est$ aislado, sino ue la efciencia y é%ito de
la operación depende de un adecuado “upstream processing” !procesado
previo" ue envuelve desde el dise&o del medio de cultivo 'asta la
esterilización del mismo. (or otro lado, la liberación del producto fnal
reuiere una serie de operaciones re)eridas colectivamente como
“do*nstream processing” !+(".
Estas operaciones perciben todos los tratamientos ue reuiere el cultivo,
una vez consumado, para la obtención del producto en las condiciones de
pureza y actividad esperadas
RECUPERACIÓN:
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(CONCENTRACION Y PURIFICACION)
• La recuperación del producto, es un término agrupado, til para
todas las etapas ue se demandan a fn de recuperar o distanciar los
productos tiles de cualuier tipo de proceso industrial.
• +e debe di)erenciar los conceptos de concentración y purifcación.
• -na etapa de recuperación cambia la concentración yo la pureza de
un metabolito.
• En el proceso ideal de recuperación se per)eccionan ambos
par$metros.
TÉCNICAS UTILIZADAS EN LA RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS
• En tiempos /#/0/1LE+ de la 2icrobiología /ndustrial las técnicas
manejadas !e%tracción, destilación, di$lisis, cristalización, precipitación,
desecación" se tomaron concisamente de la /ngeniería 3uímica con un
intento pró%imo para adaptarlas a los materiales biológicos.
• (ara materiales biológicos, 'abía ue per)eccionar procesos
específcos de purifcación ya ue los bioproductos son continuamente
compuestos muy l$biles. +us estructuras activas pueden sobrevivir
solamente bajo condiciones concretadas y limitadas de p4,
temperatura, )uerza iónica, etc.
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• #o e%iste una maniobra nica, ideal o universal, ni secuencias de
operaciones ue puedan ser encomendadas5 las operaciones
individuales unitarias deben ser combinadas de la )orma m$s ordenada
para cada problema particular.
ETAPAS DE RECUPERACION
A. Separación e !a" par#$c%!a" (SEPARACIÓN DE SÓLIDOS DEL
L&'UIDO)
• En muc'os casos, es la etapa inicial al fnal de una )ermentación. Es la
primera etapa en la recuperación del producto. +e aísla la biomasa
celular y los ingredientes insolubles del sobrenadante del cultivo
• El producto fnal an'elado puede ser el propio microorganismo, sin
embargo, en la mayor parte de los procesos a gran escala el producto
deseado es un metabolito ue est$ vigente e%tra o intracelularmente.
e#a*!i#*" e+#race!%!are": amino$cidos, $cido cítrico, alco'ol,
algunos enzimas !amilasas y proteasas" y la mayor parte de
antibióticos !penicilina, estreptomicina".
e#a*!i#*" in#race!%!are": $cidos nucleicos, vitaminas, enzimas
y ciertos antibióticos !griseo)ulvina".
+i el metabolito a aislar es intracelular, debe ser librado de las
células antes de derivar a las siguientes etapas. -na vez el
metabolito 'a sido retirado de las células, la selección de etapas
adicionales de purifcación depender$ del producto deseado.
e#a*!i#*" en !a" c,!%!a" - en e! !#ra* e! c%!#i/*: En
pocos casos se encuentran !Ej. vitamina 678".
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• E%isten varios métodos9 0*c%!ación1 0*#ación1 !#ración -
cen#ri2%3ación.
4. F!*c%!ación - 0*#ación
• En la :oculación se originan grandes agregados ue sedimentan muc'o
m$s r$pidamente ya ue la velocidad de precipitación de una partícula
aumenta con su di$metro !ley de +to;es".
• 1plicación9 para células aisladas en el rango de tama&o de 7 a 7< =m
ue sedimentan solo muy perezosamente y son di)íciles de precipitar
incluso con la centrí)uga.
• En la mayor parte de los casos se agrega un agente :oculante, sal
inorg$nica, polielectrolitos org$nicos o 'idrocoloides minerales.
• La :oculación acata tanto del agente foculante empleado como de
otros )actores como la naturaleza de las células, de los constituyentes
iónicos así como su concentración.
• La :oculación puede ocurrir reversiblemente si las cargas sobre la
superfcie de la célula pueden neutralizarse por iones de carga
sublevada, e irreversiblemente si se )orman, entre las células, puentes
de moléculas poliméricas imputadas.
• +e utilizar la :otación si no se )orma un :óculo sufcientemente espeso,
y es el transcurso reverso a la :oculación.
• La :otación se consigue implantando gas en el líuido. Las peue&as
burbujas de gas adsorben y a)erran a las células y suben a la capa de
espuma en la parte superior del recipiente donde pueden ser
almacenadas y sacadas del biorreactor.
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5. Fi!#ración
1lgn tipo de proceso de fltración es lo mas abundante se lleve a cabo
en la primera etapa en el proceso de recuperación.
Los dos principales tipos de fltros son los ltros en proundidad y ltros
en supercie5 en ambos casos la )uerza motriz es la presión, sea
establecida por sobrepresión o por vacío.
-n fltro en pro)undidad se monta a partir de una matriz lamentosa,
como lana de vidrio o papel de fltro, llev$ndose a cabo el proceso de
fltración debido a ue las partículas ue 'an de ser depuestas uedan
atrapadas dentro de la matriz. Las partículas ue van a ser fltradas son
)recuentemente m$s peue&as ue los poros del fltro, pero a pesar de
ello son separadas a medida ue pasan a través de los intersticios
retorcidos del fltro.
Los fltros en superfcie son membranas en las ue el volumen de los
poros es m$s peue&o ue las partículas ue van a ser fltradas.
Las partículas son, por consiguiente, retiradas sobre las superfcies de
los fltros.
Los 'ongos flamentosos se fltran )recuentemente a través de fltros
pro)undos. (or su parte, los cultivos bacterianos deben ser fltrados en
superfcie. En cualuier caso, la velocidad de ltración, es decir el
volumen de fltrado ue puede ser recogido en un tiempo defnitivo,
est$ in:uenciada por numerosos )actores, como el tama&o de los
microorganismos, su mor)ología, la viscosidad del :uido, temperatura,
etc.
-no de los inconvenientes de la fltración en superfcie es la
colmatación. >ebido a ue este proceso de fltración depende
rigurosamente del tama&o de los poros y del tama&o de las partículas,
a medida ue el material celular se amontona sobre el fltro se )orma
una capa ue reduce la velocidad de fltración.
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-na mejora )ormidable en el :ujo ue pasa por el fltro se consigue por
fltración en contracorriente, en la cual los sólidos que no pasen a
través del ltro son mantenidos en suspensión mediante un fujo
turbulento a través de la membrana o acordando palas móviles o
mediante un impulsor en el interior del ltro. El fltrado pasa a través
de la membrana y la biomasa se separa del fltro y se transfere con el
material ue se retiene. 0on el método de contracorriente puede
obtenerse un aumento de la velocidad de fltración de 7ependiendo del volumen de las partículas ue sean fltradas se
reconocen tres tipos principales de procesos de fltración9
?smosis reversa, para partículas de
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?rganizando el tambor en segmentos, la ayuda fltrante puede ser
lavada a medida ue gira el tambor. Los fltros de tambor a vacío son
especialmente buenos para suspensiones ue contengan una alta
concentración de sólidos !8
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• 1lgunos tipos de rotores9 c$mara tubular, recipiente de c$mara mltiple
y centrí)uga de rotor de discos. Fodos los dise&os tienen desventajas
individuales a las ue deben ser a&adidas las generales del coste
!incluyendo el mantenimiento", gasto de energía y !e%ceptuando las
ue incorporan re)rigeración" elevación de la temperatura.
6. >esintegración de los microorganismos !G-(F-G1 0EL-L1G"
• Etapa en ue los microorganismos son divididos por procedimientos
químicos, ísicos o biológicos, en los casos ue se solicite para la
recuperación del producto.
• La elección del método depende principalmente de la naturaleza de las
células. #o obstante las membranas celulares no o)recen especial
resistencia a la ruptura, las paredes celulares varían ampliamente a la
rotura.
• Las bacterias Hram I y 'ongos son muc'o m$s di)íciles de rasgar ue
las bacterias H@ debido a la composición de la pared celular. /ncluso
dentro de un mismo microorganismo las células varían
signifcativamente en sensibilidad a la ruptura dependiendo de su
estado fsiológico.
• La desintegración no debe destruir el producto de interés. (or ejemplo,
pueden utilizarse $cidos para romper muc'os microorganismos pero no
pueden ser utilizados si el producto es l$bil a los $cidos.
7. 2étodos uímicos
• /ncluyen tratamiento con lcalis o cidos, solventes orgnicos y
detergentes!
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• La lisis bacteriana con $lcalis puede e)ectuar a gran escala y bajo
costeo siempre y cuando el producto sea estable a p49 7
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admitiendo ue el líuido salga por una v$lvula, lo ue ocasiona la lisis
celular.
0. 2étodos de aislamiento !+E(1G10/# >E GE+F?+ 0EL-L1GE+"
• -na vez lisadas las células, los restos celulares se retiran por
centri)ugación de gran capacidad a baja velocidad o por fltración en
membrana.
• 1l fnal alcanzamos un líuido libre de células ue es el ue su)re los
tratamientos posteriores para aislamiento y en su caso purifcación del
producto de interés.
D. C*ncen#ración - P%ricación e! pr*%c#*
4. Cr*8a#*3ra2$a
• El uso de métodos cromatogr$fcos involucran unas de las etapas m$s
caras en la recuperación del producto
• Fales métodos son de especial valor para la purifcación de materiales
biológicos sensibles y encuentran un amplio uso en la elaboración de
materiales )armacéuticos, reactivos de diagnóstico y reactivos para
investigación.
• Los distintos métodos cromatogr$fcos ue e%isten segn su
mecanismo de separación son9 fltración en gel !peso molecular",
cromatogra)ía de ad'esión !interacciones 'idro)óbicas", cromatogra)ía
de intercambio iónico !carga", cromatogra)ía de afnidad !actividad
biológica" y electroen)oue !punto isoeléctrico".
5. E+#racción
• 0uando se utiliza a los bioproductos, tiene )unción de apartamiento y
concentración.
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• El caldo acuoso de )ermentación ue contiene el producto deseado se
mezcla con un solvente inmiscible en el ue se disuelva
pre)erentemente y del ue pueda ser m$s )$cil y específcamente
recuperado.
• -na vez se 'a concentrado el producto an'elado en la )ase solvente
puede ser adicionalmente purifcado.
• La e%tracción con solventes 'a sido manejada ampliamente en la
industria de antibióticos !penicilina" manejando solventes !acetato de
amilo o de butilo".
• (ara la separación de enzimas en estado activo no pueden ser
utilizados los solventes org$nicos pero sí pueden ser utilizados sistemas
acuosos en )ase mltiple preparados en una solución de sales con
polímeros 'idro)ílicos !polietilenglicol@de%trano". En ambas )ases el
agua es el componente principal, pero ambas )ases no son miscibles
por lo ue los enzimas pueden separarse )$cilmente sin pérdida de
actividad.
6. Precipi#ación1 Cri"#a!i9ación -* De"ecación: U!#i8a" e#apa":
Cri"#a!i9ación - precipi#ación
• La cristalización a baja temperatura es una )orma muy suave de
purifcación.
• +e utiliza principalmente para la desin)ección de compuestos de bajo
peso molecular !antibióticos". (or ejemplo, la (enicilina H es
generalmente e%traída del caldo de )ermentación con acetato de butilo
y cristalizada por adición de acetato pot$sico en solución etanólica.
De"ecación
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• >esecado del material biológico. Es en muc'os casos el método fnal.
Los productos son llevados a una )orma frme adecuada para su manejo
y almacenamiento.
• La sensibilidad al calor de la mayor parte de los productos biológicos
representa ue los nicos métodos ue pueden ser utilizados son los
ue transferen a la eliminación de agua con elevación mínima de la
temperatura.
• La termoestabilidad de los productos !enzimas o preparaciones
)armacéuticas" en algunos casos, es corregida por la adición de
azcares u otros estabilizantes inertes.
• La lioflización es el método de desecación m$s suave debido a ue el
agua es sublimada a partir de una masa congelada. 2uc'os productos
)armacéuticos son lioflizados !vacunas, )racciones de plasma,
'ormonas y elaboraciones de enzimas, así como ingredientes muy
l$biles y caros para diagnosis". Fambién se liofliza cultivos microbianos
vivos !cultivos para inoculación en las industrias l$cteas".
E. Reni8ien#*
Las pérdidas en la recuperación dependen de la sensibilidad de las
sustancias al proceso y del nmero de etapas de purifcación.
El promedio de pérdidas atribuidas a la purifcación est$ en torno al 8
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a. La naturaleza uímica del mismo9 sustancias simples !alco'oles, $cidos
org$nicos"5 proteínas, sustancias con actividad terapéutica
!antibióticos, 'ormonas" etc.
b. El volumen de producción y la concentración del producto en el caldo
de )ermentación9 los aclamados “commodities” !etanol, $cido cítrico,
etc." se obtienen de a cientos o miles de ton.a&o y en altas
concentraciones en la )ermentación. 2ientras ue los agentes
terapéuticos de moderna generación !'ormonas, )actores de
coagulación, etc." se originan sólo algunos ;ga&o y su concentración
en la producción es baja. Esto determina la escala de producción.
c. Los reuerimientos de pureza del producto fnal. Las moléculas a ser
utilizadas en salud 'umana reuerir$n una pureza fnal muy di)erente a
las enzimas a ser manejadas en los polvos para lavar ó de un
acidulante para alimentos.
El principal ejemplo son los antibióticos. La concentración de los mismos
en los caldos )ue increment$ndose a medida ue se conocía m$s del
producto, se mejoraba la productividad de las cepas, se desarrollabannuevas metodologías de producción y así ue aumentndose el volumen y
bajando los precios.
Lo mismo puede ocurrir con los agentes terapéuticos de ltima
generación.
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posibilita un buen posicionamiento en el mercado ue aprueba,
posteriormente, el desarrollo de nuevas tecnologías de cambio de escala y
+(. ?tra vez el ejemplo de este tipo de evolución son los antibióticos.
Las estrategias de dise&o de procesos de +( para los productos conocidos
pueden resumirse en9
7. Estar al tanto las propiedades )ísicas y uímicas b$sicas del principio
activo y características del producto fnal !por ejemplo defnir pureza
reuerida". El uso determina la pureza. (ara agentes terapéuticos se
reuiere un alto grado de pureza del principio activo. +e tolera un
m$%imo de 7
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concentración, ya ue el agua es por lo general la impureza mayoritaria
!mayor del M