Biotecnología: Una Visión General

La biotecnología utiliza organismos vivos, células, orgánulos celulares o biomoléculas (como enzimas) para producir bienes, productos y servicios. Se clasifica en:

• Biotecnología Roja: Medicamentos, vacunas, hormonas, antibióticos.
• Biotecnología Verde: Aplicaciones agrícolas.
• Biotecnología Azul: Acuicultura, biotecnología marina, cosmética, suplementos alimentarios.
• Biotecnología Blanca: Productos industriales, enzimas, materiales biodegradables.

Bioprocesos: Fundamentos y Aplicaciones

Los bioprocesos son procesos que emplean células o enzimas como biocatalizadores para generar cambios físicos, químicos y biológicos.

Ventajas y Desventajas de los Bioprocesos

Ventajas:

• Obtención de macromoléculas complejas.
• Alta selectividad.
• Condiciones suaves.
• Bajo gasto energético.

Desventajas:

• Lentitud en comparación con la síntesis química.
• Necesidad de purificación avanzada.

Tipos de Biotransformaciones

• Biotransformaciones enzimáticas: Biocatálisis de reacciones específicas.
• Biotransformaciones metabólicas: Transformaciones por crecimiento microbiano.
• Uso de organismos transgénicos.

Biorreactores: El Corazón de los Bioprocesos

Los bioprocesos se llevan a cabo en biorreactores, sistemas cerrados con condiciones controladas, con el objetivo de obtener:

• Biomasa (cultivo de microorganismos).
• Moléculas sencillas (metabolitos primarios como azúcares, alcoholes y ácidos; y secundarios como antibióticos y esteroides).
• Macromoléculas (proteínas, enzimas y polisacáridos).

Fases del Bioproceso

1. Upstream Processing (Procesamiento Inicial): Preparación y acondicionamiento de las materias primas y el microorganismo.
2. Bioreacción (Fase de Reacción Biológica): Transformación de las materias primas en productos deseados.
3. Downstream Processing (Separación y Purificación de Productos): Aislamiento y purificación del producto final.

Upstream Processing: Preparando el Escenario

El Upstream Processing comprende las actividades iniciales que garantizan un entorno óptimo para la biorreacción, como la selección de microorganismos, preparación del medio de cultivo y fijación de condiciones de fermentación.

Actividades Clave

• Selección y diseño de especies o cepas.
• Mejora o modificación genética.
• Optimización de la bioreacción.
• Preparación de medios y materias primas.
• Escalado del biorreactor.

Materiales y Equipos

• Sistemas de esterilización.
• Fermentadores.
• Sistemas de monitoreo.

Downstream Processing: Aislamiento y Purificación

El Downstream Processing incluye la purificación del producto y el tratamiento de residuos generados tras la fermentación. Esta etapa representa entre el 60 y 80% de los costos del proceso.

Etapas Operativas del Downstream

1. Separación de células mediante filtración o centrifugación.
2. Disrupción celular para liberar productos intracelulares.
3. Aislamiento primario mediante adsorción, extracción o precipitación.
4. Purificación mediante cromatografía o ultrafiltración.
5. Aislamiento final a través de cristalización, centrifugación, filtración y secado.

Técnicas Específicas de Separación y Purificación

Filtración

Separa partículas sólidas del líquido mediante medios filtrantes, aplicando vacío o presión positiva. Se puede mejorar con auxiliares de filtrado como tierra de diatomeas. Existen métodos como microfiltración (0,02-10 µm), ultrafiltración (3-100 nm) y diafiltración (lavado de sales o tampones en proteínas).

Centrifugación

Utiliza fuerza centrífuga para separar materiales de diferente densidad. Es ideal para separar células de caldos de fermentación, eliminar residuos celulares y recuperar precipitados, siendo la centrífuga de discos la más utilizada en la industria.

Disrupción Celular

Se usa para liberar proteínas y enzimas intracelulares mediante métodos mecánicos (homogeneización, molinos de bolas, ultrasonidos), físicos (shock osmótico, congelación-descongelación) y químicos (uso de detergentes y enzimas).

Extracción Líquido-Líquido (L-L)

Recupera compuestos disueltos mediante disolventes no miscibles.

Extracción Sólido-Líquido (Adsorción)

Utiliza materiales como carbón activado para retener compuestos de interés.

Concentración de Compuestos

Se realiza mediante destilación (separación térmica) y evaporación (eliminación de disolvente por ebullición).

Purificación de Compuestos

Se logra mediante cromatografía (separación por afinidad a fases móviles y estacionarias), cristalización (precipitación de compuestos puros) y secado (eliminación de agua con spray dryers o liofilizadores).

Tipos de Biorreactores y Modos de Operación

Los biorreactores son recipientes cilíndricos de acero inoxidable, plástico o vidrio, donde ocurren las transformaciones físicas y químicas del medio. Se operan en ambientes controlados, garantizando asepsia y monitoreo de crecimiento celular, temperatura, atmósfera, pH y oxígeno disuelto. Pueden funcionar en modo discontinuo (batch), semicontinuo o continuo.

Cultivo en Discontinuo o por Lotes (Batch)

Se introduce el medio de cultivo junto con el microorganismo o enzima sin agregar más materia durante el proceso. Se aplican condiciones controladas y se detiene cuando se agotan los nutrientes o el sustrato. Es rentable tras la fase de latencia.

Cultivo en Semicontinuo (Fed-Batch)

Se controla la reacción y se monitoriza el crecimiento agregando medio fresco cuando se alcanza una determinada concentración de biomasa. Permite mantener células en fase exponencial, reduciendo tiempos largos. Sus desventajas incluyen riesgos de contaminación y mutaciones celulares por el uso prolongado de la misma cepa.

Cultivo Continuo

Mantiene el volumen del reactor constante mediante una adición y retirada continua de medio. Se usa en procesos largos (200 h en laboratorio, 1000 h en industria) y presenta riesgos de contaminación y mutaciones a largo plazo.