PRODUCCIÓN DE

PENICILINA POR

FERMENTACIÓN

Este proyecto consiste en el análisis del desarrollo de un hongo del tipo

Penicillium para obtener como producto Penicilina G o V.

El desarrollo se lleva a cabo en un reactor de tipo Batch, mediante el proceso

de fermentación, donde se acondiciona el medio y se aplican los nutrientes

necesarios a la cepa, como azúcares, nitrógeno y oxígeno para su óptimo

crecimiento.

La cantidad de producción que se espera es de 1 tonelada de penicilina, del

tipo G o del tipo V, para su futura distribución a laboratorios y hospitales.

MARCO TEÓRICO

La penicilina es un antibiótico producido por el crecimiento de un hongo. Este hongo,

del tipo Penicillium, es mantenido inicialmente como esporas, liofilizadas (conservadas

a bajas temperaturas y secadas al vacío) o en nitrógeno líquido, en esta etapa lo que se

desea es mantener el desarrollo vegetativo antes de entrar al siguiente proceso.

En la siguiente etapa, proceso de Fermentación, es donde ocurre el crecimiento de la

cepa. Este proceso se inicia con el desarrollo de las cepas en Erlenmeyer, para luego

pasar a fermentadores de agitación, del tipo Fed- Batch, su volumen está entre 150 –

200 m3 y su agitadores deben tener una potencia mecánica alrededor de 3-4 kW/m3.

La alimentación de los nutrientes debe ocurrir en forma continua (medios nutritivos

alimentados al fermentador (Ver Apéndice: tabla 1). El proceso se debe mantener a un

pH 6,5 y una temperatura de 25º C durante un tiempo de 180 Hrs. (para más

información de variables operativas Ver Apéndice: tabla 4).

Un perfil tipo del proceso de fermentación se presenta por la ecuación:

PV =P0 V 0+∫t

t f

qp XV dt

Donde:

P=¿ Concentración de penicilina al tiempo, tf

P0=¿ Concentración inicial de penicilina

q p=1X

dPdt

=¿ Velocidad especifica de producción de penicilina [ 1/mg∙h ]

t=¿ Tiempo inoculación

t f =¿ Tiempo de cosecha

V 0=¿ Volumen inicial

V=¿ Volumen al tiempo t

Esta ecuación mide la cantidad de penicilina obtenida en el fermentador, (PV) es

función de la concentración de células (X), de la velocidad de producción de penicilina

(qp), del tiempo de fermentación (t) y del volumen del medio de cultivo (V). (Ver

Apéndice: Gráfico 1).

Después del proceso de fermentación los productos que salen son la penicilina G o V

las cuales tienen más comercialización en el mercado, pero estos productos salen

inmersos en un caldo. Este caldo está formado no sólo de penicilina, sino también de

micelio (biomasa originada del crecimiento hongo) y producto alimentados en el

reactor. Por eso es necesaria una etapa de separación y purificación para llegar al

producto final.

En el proceso de Separación se consideran las siguientes etapas:

Filtración: En esta etapa el micelio se separa del caldo que contiene penicilina

utilizando un filtro rotatorio a vacío, luego de la separación el micelio se

recupera y se vende como fuente de proteínas para ganado.

Extracción por Solvente: La penicilina filtrada se debe extraer muy

cuidadosamente, ya que al menor cambio esta se puede degradar. Por eso lo

más aconsejable es que sea extraída en forma ácida (debido a que son solubles

en muchos solventes orgánicos), usando acetato de amilo o acetato de butilo,

para extraerla con un alto rendimiento.

Tratamientos con carbón: Para remover pigmentos y otras impurezas, el

solvente que contiene penicilina se trata con carbón activo. Terminado el

tratamiento el carbón es separado del extracto mediante un filtro rotatorio a

vacío recubierto y se lava con un solvente.

Cristalización: Se adiciona acetato de potasio o sodio, para que la penicilina G

o V sea cristalizado por esas sales. Esta después se lleva a unos filtradores

rotatorios al vacío donde se recolectan los cristales.

Secado y Limpieza de los cristales: Los cristales de penicilina se limpian con

alcohol isopropílico, alcohol butílico u otro solvente volátil que remueva

impurezas residuales como pigmentos, acetato de sodio o potasio no usado, etc.

Luego de la limpieza se filtran, se lavan con un solvente y se secan con aire

caliente dando como resultado final penicilina G o V.

Diagrama de flujo de producción de Penicilina

Diagrama de flujo de purificación de penicilina

CONCLUSIONES

Para la construcción de una planta de penicilina cuya producción sea de 1 tonelada, se deben

tener en cuenta los siguientes puntos:

Una cepa que tenga una alta producción de penicilina. La producción depende de la

cepa escogida, si se escoge una cepa mutada en vez de una normal esta tendrá un

mayor rendimiento de producción (ver apéndice: tabla 3). Además se le puede dar

otras cualidades a dichas cepas como soportar otras temperaturas o diferentes rangos

de pH.

El medio nutritivo afecta el rendimiento de la penicilina (ver apéndice: tabla 4).

Según el medio habrán distintos tipos de rendimiento de penicilina.

Con estas consideraciones se debe elegir:

Una cepa que tenga una producción de penicilina entre 20 – 25

[kg de penicilina /m3 ]

Uno de los dos modelos de medios nutritivos que se muestran en la tabla 1

(ver apéndice) y seguir las variables operacionales que aparecen en la tabla 4

(ver apéndice) para tener una planta que sea capaz de producir más de 1

tonelada de penicilina.

El diseño de la planta debe estar formada por tres etapas: Preparación, Fermentación y

Separación. En la primera etapa la cepa que se compra al laboratorio se prepara para entrar

al fermentador. La segunda etapa consta de fermentadores donde crece la cepa por la

alimentación de los nutrientes, el resultado de ese crecimiento es la producción de

penicilina. La tercera etapa es la extracción de la penicilina del caldo, para esto se utilizan

equipos de filtración y de extracción por solvente para posteriormente ingresar la penicilina

a un cristalizador donde por la adición de iones de Na+ y K+ provoca la cristalización de ésta,

para luego ser purificada y comercializada.

APÉNDICE

Gráfico 1. Perfil típico de la concentración en una proceso Fed – Batch de fermentación

de penicilina

Tabla 1. Composición de un medio de nutrientes para el crecimiento del micelio.

Tabla 2. Experimentos Fed- Batch que aumentan el rendimiento de penicilina.

Tabla 3. Programa de desarrollo de cepas. Resultados de laboratorio Panlabs.

Tabla 4. Variables operacionales.