* * Introducción a la Bioingeniería * * Grupo 1 * 5 de octubre del 2011
Segundo Trabajo Parcial
Bioprocesos

La tecnología moderna de los bioprocesos es una extensión de las antiguas técnicas que se utilizaban para desarrollar productos útiles al sacar provecho de las actividades biológicas naturales. Pero, ¿al decir “tecnología” y “moderna” significa que esto es algo reciente?. En realidad no, cuando nuestros ancestros hacían bebidas alcohólicas, usaban un bioproceso, al combinar células de levadura con granos de cereal (Brown).
Desde hace 8000 años los sumerios en Mesopotamia fabricaban la cerveza dándoles una bebida nutritiva, embriagadora y duradera. Para esto, humedecían la cebada y la germinaban. A partir de estos cereales germinados, o malta, elaboraron el pan de cerveza el cual lo trituraban y lo mezclaban con agua y con la ayuda de un colador trenzado de mimbre separaban el líquido del residuo, que dejaban reposar en barriles cerrados. Era entonces cuando el líquido empezaba a fermentar y de ese jugo dulce nació la cerveza (Renneberg). De igual manera los antiguos egipcios, chinos, japoneses, celtas, germánicos y las culturas prehispánicas de Mesoamrica; elaboraron productos provenientes de la biotecnología tradicional. En este sistema de fermentación, en el que los organismos consumían los granos para crecer, se generan bi-productos, por ejemplo: el dióxido de carbono para el pan de levadura, el etanol para la elaboración del vino y la cerveza, ácido láctico para el yogurt y ácido acético para la conservación de alimentos (Sobti). Entonces se puede afirmar que la tecnología de bioprocesos más famosa y antigua es la fermentación microbiana, ya que los productos provenían de una serie de reacciones catalizadoras enzimáticas, que los microbios utilizan para romper la glucosa (Sobti).
Otro hecho importante fue cuando un grupo de mercaderes franceses estaban buscando un método para prevenir la acidificación del vino y la cerveza al momento de trasladarlo por barco a largas distancias, fue así como se buscó la ayuda de Louis Pasteur (Sobti). En 1861 él señaló que el crecimiento y la fisiología (y por lo tanto la acumulación del producto fermentado) difiere dependiendo de la presencia o ausencia de oxígeno. En pocas palabras descubrió que una levadura sin oxígeno utilizaba más glucosa, a esto se le denominó el efecto Pasteur (Renneberg). Entonces reconoció que seres vivos o sus componentes, como enzimas, eran los que daban a lugar las transformaciones necesarias para generar estos productos biotecnológicos (Zapata).
A pesar de que al paso de los años los bioprocesos actuales son ciertamente más avanzados, están basados en el mismo principio: combinar materia viva (organismos enteros o enzimas) con nutrientes, bajo las condiciones necesarias para hacer el producto deseado. Ya varias áreas de la biotecnología comercial han empleado bioprocesos específicos. Por ejemplo la producción de enzimas usadas para anticuerpos, procesamiento de comida y la gestión de deshechos. Pero debido a que las técnicas e instrumentación se han refinado, los bioprocesos pueden tener un impactos y aplicaciones en muchas otras áreas, donde se usan actualmente procesos químicos (Brown).
Los bioprocesos nos ofrecen varias ventajas sobre los procesos químicos. ¿Por qué? En primera pueden utilizar recursos renovables como materia prima; requieren de una menor presión, temperatura y de PH; y se pueden generar una mayor cantidad de productos con menos consumo de energía (Brown).
Tecnología de bioprocesos
La ingeniería en bioprocesos es una mezcla de los conocimientos de la ingeniería bioquímica con la mecánica, eléctrica, económica, industrial, etc., necesarias para la incorporación de un bioproceso completo que satisfaga para obtener productos de mayor productividad y que sean reproducibles lote tras lote (Zapata). Consiste en el uso de células vivas o de los componentes de su maquinaria bioquímica para sintetizar productos, deshacer sustancias y liberar energía. Las células que se usan más frecuentemente son los microorganismos unicelulares; los componentes celulares más usados son las enzimas (Sobti). “Un bioproceso está constituido por una serie de operaciones dispuestas en forma secuencial y/o paralela mediante las cuales se genera un producto biotecnológico a partir de diversos insumos.” (Zapata). En un comienzo el bioproceso lo que hace es iniciar mediante la utilización de mitologías de la microbiología y biología molecular, esto con el fin de crear una cepa con las características deseadas para producir el producto que se quiere. Después, se necesita la creación de bancos celulares maestros que aseguren el suministro del material biológico en cantidades suficientes “y con una calidad constante a lo largo de la vida útil del proyecto” (Zapata). A partir de estos bancos se generan bancos celulares de trabajo, los cuales ayudarán a la formación de biomasa apta para inocular al fermentador de producción.
La tecnología de bioprocesos incluye los siguientes pasos:
1. Etapa I: Upstream processing: incluye la preparación del medio líquido, la separación del material particulado y de los químicos inhibidores del medio, esterilización, purificación, etc. (Sobti).
A) Selección de microorganismos: * Proyección primaria: permite la detección y aislamiento de microorganismos que poseen un potencial interesante para aplicación en la industria. * Proyección secundaria: Para la primera fase de ésta se utilizan placas de agar. La segunda parte de esta proyección puede tener un enfoque cuantitativo o cualitativo y nos ayuda a determinar : * El potencial de un microorganismo de ser utilizado en la industria * Si los microorganismos crean compuestos químicos no descritos o alternativos para el proceso de fermentación ya conocidos, aquí se señala si es posible realizar un proceso más económico. * Los requerimientos óptimos de microorganismos particulares, tanto para el crecimiento del organismo como para la formación de productos. * Si el producto resultante de una fermentación microbiana ocurre en el caldo de cultivo en más de una forma química y si es de un material ópticamente o biológicamente activo. * Revela si los microorganismos son capaces de alterar químicamente o incluso destruir sus propios productos de la fermentación.
B) Formulación del medio: para un proceso individual de fermentación, se necesita saber cuál es y establecer el medio más adecuado. Los mayores componentes del medio son agua; fuentes de energía, carbón, nitrógeno y vitaminas; tampones químicos; precursores y reguladores metabólicos. Todos estos deben de satisfacer los requerimientos elementales de la biomasa celular y la producción metabólica (Sobti). * El medio debe producir el máximo rendimiento de producto por gramo del sustrato utilizado. * Debe estar disponible a lo largo del año. * Debe permitir la tasa máxima de formación de producto. * Debe causar la menor cantidad de problemas durante la esterilización del medio.
C) Esterilización: Se debe evadir una contaminación de la fermentación por un microbio indeseado, ya que habría una menor productividad. Debido a que resulta difícil eliminar de forma selectiva el organismo que afecta un proceso específico, se esteriliza el medio para remover y destruir todos los microorganismos presentes en el material (Sobti).
Pare escoger el método de esterilización correcto se tiene que tomar en cuenta la efectividad del método para lograr un efectivo nivel de esterilización, así como en la confiabilidad del método y su efecto en la calidad del medio y en el costo (Sobti). La esterilización se logra por: * El uso de un inóculo puro. * Esterilización del medio. * Esterilización por vapor: ya sea por el proceso de esterilización por lotes (121ºC) o por esterilización continua (por intercambio directo o indirecto del calor). * Esterilización por filtración: hay dos tipos de filtros filtros absolutos (consiste en cartuchos de membrana que se agregan en módulos de acero inoxidable) * Esterilización del fermentador. * La esterilización del aire se lleva a cabo por el calor, rayos UV, ondas electromagnéticas, aerosoles germicidas o por filtración. * Esterilización del aire usado para la aireación.
Etapa II: Fermentación: Esta parte constituye la parte medular de la gran mayoría de los bioprocesos, es en general la más costosa ya que necesita mayores insumos (Zapata).Incluye la conversión de sustratos al producto deseado con la ayuda de la actividad metabólica de agentes biológicos tal como microorganismos. Se aplica para actividades metabólicas aerobias y anaerobias de los organismos. Se ocupa del aislamiento y descripción de microorganismos del ambiente natural y de las condiciones de cultivo requeridas para producir el rápido y masivo crecimiento de los organismos en el laboratorio y en contenedores a grande escala conocidos como biorreactores; estos proveen de condiciones optimas para el crecimiento controlado de microorganismos por la agitación regulada, temperatura y la aireación de la fermentación (Sobti). El producto generado en esta etapa puede ser la biomasa, la transformación del medio de cultivo o algún metabolito. Antes y después de la fermentación hay etapas de separación y purificación, las cuales están fuertemente relacionadas con la naturaleza del producto y su estado o ubicación dentro o fuera de la célula (Zapata). * Se observan tres fases durante la fermentación microbiana: * Fase líquida: contiene nutrientes, sustratos y metabolitos; todos disueltos. * Fase sólida: Consiste de células individuales, sustratos insolubles o productos metabólicos precipitados. * Fase gaseosa: Provee una reserva para el suministro de oxígeno y para la eliminación de CO2.
Etapa III: Downstream processing: Envuelve la separación de las células del caldo de fermentación, la purificación y concentración del producto deseado y la eliminación o reciclaje de residuos. Se puede dividir en pretratamiento, separación sólido-líquido, concentración, purificación y formulación (Sobti). Éste incluye los siguientes pasos: * Separación de los sólidos del líquido. * Si los productos son extracelulares se requiere de un aislamiento primario del producto a partir del sobrante líquido. * Si los productos son intracelulares no hay necesidad de desintegrar a las células. El paso de aislamiento primario es la concentración. Aquí, la máxima cantidad de agua se elimina. * El producto pasa a través de varios procesos de purificación.
Entonces en breve es importante tener en cuenta que en un bioproceso no se deben considerar las operaciones involucradas directamente con el producto, sino que también hay que considerar los demás procesos y operaciones que están relacionados con los insumos. Esto es porque en muchos casos los materiales y reactivos que se planean utilizar durante el proceso no están adecuados para éste, por lo que tienen que pasar por un tratamiento simultaneo previo para ser usados en un bioproceso (Zapata).. Pero igualmente al terminar un bioproceso quedan subproductos y efluentes que deben de ser tratados por métodos químicos, físicos o biotecnológicos (Zapata). Todas aquellas actividades y operaciones de seguimiento y monitoreo conforman al bioproceso, esto lo que lo hace garantizar el control de la calidad del producto que se obtuvo.
Con el paso de los años los bioprocesos han ido revolucionando y desarrollándose, esto con la ayuda de otras disciplinas tal y como la ingeniería genética, genómica, microelectrónica, computación e ingeniería en materiales (Zapata). La genética ha dado lugar a la posibilidad de generar productos que antes sólo podían obtener, de manera escasa e ineficiente, de otros tejidos animales o vegetales, además se puede diseñar la localización y la forma del producto de interés (Zapata). Por otro lado la microelectrónica y la computación han dado más herramientas para supervisar, registrar y controlar los procesos de una manera más efectiva.
A continuación se presentarán una serie de empresas mexicanas que utilizan bioprocesos para generar el producto o servicio que proporcionan:
Empresas mexicanas que utilicen bioprocesos
PROBIOMED, S.A. DE C.V.- Para el tratamiento de pacientes con arterioesclerosis múltiple produce interferón beta. * Uso: Los interferones son citoquinas que median acciones antivirales, antiprofliferativas e inmunomoduladoras en respuesta a la infección viral y a otros inductores biológicos. Son una familia de proteínas naturales que poseen efectos antivirales, antiproliferativos y antitumorales similares, aunque difieren en sus efectos inmunomoduladores.

* Procesos: Los interferones tipo I aumentan la función supresora inespecífica de las células T.
CINVESTAV.- Cultivo in Vitro del chile (capsicum spp.) que tiene importancia mundial. El objetivo general es establecer cultivo in Vitro de células, tejidos y órganos para ser utilizados en estudios básicos de fisiología, bioquímica y biología molecular. También para la manipulación genética de importancia agronómica e industrial. * Uso: Para el estudio del comportamiento de las células animales libres de las variaciones sistémicas ocurridas dentro del organismo durante su normal homeostasis y bajo el estrés de un experimento. * Procesos: Se obtienen del desarrollo de pequeños fragmentos de tejido o de órganos embrionales completos, y cultivo de células, donde las células de un tejido se dispersan por medios mecánicos o enzimáticos y son propagadas como suspensión o sobre vidrio o plástico.

BIO-ZOO.- Empresa dedicada a la elaboración de vacunas (antibióticos, antiinflamatorios, antiparásitos, hormonas, higiene, vitaminas, reconstituyentes) para lograr mejores resultados a través de la investigación de los principales bacterias y virus que afectan a la ganadería. * Uso: Prevención y control de epidemias, pandemias, además de control de calidad en el consumo de materia orgánico.

* Procesos: Se fabrican con antígenos bacterianos o virales provocando muerte al microorganismo usando las proteínas que envuelven externamente a un microorganismo debilitando al agente infeccioso o usando complejos modelos de fabricación apoyados en ingeniería genética
Grupo de Ingeniería de Bioprocesos.- Desarrollo y evaluación de agentes de control biológico de enfermedades en la agricultura, principalmente en el mango. * Uso: Desarrollo de una tecnología que permite la producción y formulación de productos con un control eficiente de enfermedades biológicas en cultivos agrícolas.

* Procesos: Se lleva a cabo a base de B. subtilis (que tiene la habilidad para formar una resistente endospora protectora, permitiendo al organismo tolerar condiciones ambientalmente extremas) para el control de la antracnosis (manchas, marchitamiento y muerte) del mango.
Bioprocesos Fermentativos de Michoacán.- Utilizan procesos enzimáticos para la transformación de insulinas de agave usadas para la obtención de oligofructosas y mieles de agave. Actualmente trabajan en la producción de bebidas naturales usando frutas. También desarrollan cepas etnológicas para la producción de bebidas como e tequila. * Uso: Producción de bebidas utilizando frutos naturales además de tequila.

* Procesos: En el agave se utilizan sistemas enzimáticos que catalicen reacciones dentro de procesos a altas temperaturas y aumenten así el rendimiento de los procesos. Uno de los desarrollos es el uso de un reactor de enzimas inmovilizadas con la enzima inuterm para la hidrólisis de inulinas de agave a alta temperatura. Por parte de la fermentación se selecciona y manipulan cepas para aumentar el rendimiento en la producción de etanol.

Water Technologies de Mexico S.A. de C.V.- Desarrollan tratamientos con plantas para tratar el agua destinada al consumo humano y procesos industriales. Por ejemplo sistema de osmosis inversa, ultravioleta, desmineralizadores, carbón activado, generadores de ozono. * Uso: Producción de agua salada, agua potable, agua para usos industriales y manteniendo estándares de purezas y concentraciones.

* Procesos: Por medio de una corriente de agua salada se le aplica una presión para obtener un equilibrio. A partir de aquí se atraviesa una membrana para que el agua quede libre de sólidos disueltos (como minerales o materia orgánica) y de microorganismos (virus, bacterias).
También se obtiene agua esterilizada con rayos ultravioleta por medio de la colocación de un filtro UV en un tramo de un conducto por donde circula el líquido. Estos filtros UV interceptan e inoculan a los gérmenes a su paso por la luz ultravioleta. Además la radiación UV destruye algas y protozoos inhabilitando su expansión y contaminación.
Otra forma de purificación del agua es por medio de la adsorción de contaminantes del agua pura por medio de la utilización de carbón activado. Y por medio de la adición de ozono, que es otro tipo de purificación del agua que descompone agresivamente a los organismos vivos sin dejar residuos químicos que puedan afectar la salud o el sabor del agua.
A continuación se expondrán algunas Propuestas de nuevas aplicaciones de los bioprocesos en las empresas: A) “Superbug”: El biotecnólogo Chkrabarty, biotecnólogo hindú, cultivó bacterias devoradoras de grasas, a partir de devoradores de herbicidas, en toda la regla; es decir, lo que hizo fue extraer el octano, el alcanfor, el xilol y la naftalina, los plásmidos, a partir de cuatro cepas de Pseudomonas. Después crep algo llamado “superplásmido” y lo volvió a introducir a las bacterias. Fue así como creó un “superbug” que puede descomponer los cuatro productos. Las bacterias transformadas de este modo atacaron los restos tóxicos de petróleo. Tal parece ser que al momento en que surgen problemas con el petróleo y aparece la conocida “marea negra”, estas bacterias degrádan rapidamente el petróleo. Los microorganismos que crecen masivamente, serían devorados a su vez por seres marinos, y de este modo volverían a desaparecer (Renneberg). Basándonos en esta metodología, lo que se haría sería producir estas “superbugs” en biorreactores de manera masiva; esto para contrarrestar los efectos adversos que tiene PEMEX en el país adquiriendo otra fuente de ingresos que le permitiría mejorar la tecnología de extracción y refinamiento del petróleo, y reduciendo su impacto ambiental; de esta forma se haría activa su visión como empresa socialmente responsable, ya que destinaria parte de su capital para el desarrollo de tecnologías para la remediación y el cuidado del medio ambiente. Este proceso podría ser una empresa filial a PEMEX o la misma. B) Biodesulfuración La biodesulfuración consiste en suprimir el azufre del petróleo mediante la intervención de microorganismos vivos, con el objetivo principal de restar compuesto de azufre sin mermar ciertas características del combustible, como el poder calorífico. El proyecto de biodesulfuración utiliza un menor consumo de energía, disminución de la inversión requerida y sobre todo, un alcance de niveles de azufre compatibles con las políticas establecidas para la obtención de combustibles más limpios. Este bioproceso convendría desarrollarlo en el mismo sector que el anterior; esto se centraría más en la obtención de combustibles más eficientes, ya que al reducir la cantidad de azufre presente, por ejemplo en la gasolina, los desechos producidos por los medios de transporte que utilizan este combustible se verían reducidos enormemente. Estas dos propuestas aportan grandes beneficios tanto sociales como económicos. * Beneficios sociales: Menor riesgo a sufrir enfermedades debido a un descenso de los gases de efecto invernadero y sustancias toxicas en el medio ambiente. * Beneficios económicos al sector privado: las empresas que utilizasen estos bioprocesos reducirían sus costos de producción aumentando así sus ganancias, y disminuyendo tanto capital como tiempo invertido. * Beneficios económicos al sector social: Aumento del capital del país tanto de los puestos de trabajo, menor uso de recursos para la obtención de materias primas y de remediación en caso de catástrofes.

CONCLUSIÓN:
La biorremediación es un proceso importante desde hace muchos años, pero ahora más que nunca debemos poseer el conocimiento porque necesitamos aprovechar cada uno de nuestros recursos para obtener algo más allá de lo que podríamos generar en un proceso. Siendo así, la explotación de recursos, ya sea a nivel industrial o en un producto casero, el resultado obtenido en un bioproceso es realmente significativo debido a su aporte al ambiente y a que logramos economizar nuestros recursos y tal vez, , tenemos la posibilidad de mejorar al planeta.
Hoy en día es sencillo poder medir y saber las condiciones favorables para llevara a cabo un bioproceso de manera óptima y con los recursos necesarios. De ahí que las empresas deberían comenzar a considerar verdaderamente la utilización de estos mecanismos de producción para un desarrollo gran escala de cada experimento.
Con la ayuda de diferentes estudios como enzimología, microbiología y biología celular, por ejemplo, podemos deducir un gran número de procesos y aportaciones que se podrían desarrollar sobre todo en la industria de alimentos y en el sector salud para generar un mayor número de soluciones a enfermedades por medio de cultivos celulares, terapias génicas o la disminución del daño de las personas con los medicamentos y en el caso de los alimentos a prolongar la vida útil de ellos dentro de la industria o hasta en nuestros hogares evitando tanto desperdicio y generando una reacción en cadena que de la vayan de la mano el sector agrícola para que los cultivos sea de mejor calidad y así el sector pecuario pueda brindarnos animales más sanos para mantener las cadena trófica en condiciones favorables.
Los diferentes sectores, pueden ayudar a impulsar con estos mecanismos la economía de los países además de contribuir poco a poco con el beneficio del medio ambiente.
Los bioprocesos son finalmente una gran ayuda para todos ya que funciona como un benefactor. De aquí podemos recalcar la importancia de investigación en esta rama para lograr diversos cambios en nuestro entorno.

Referencias
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