Quimica bioindustrial 252

Quimica bioindustrial 252Preparacion de medios de cultivos Industriales

El Sistema IndustrialNecesita ser a gran escala para ser rentableBarato y grandesOrganismos con valor IndustrialCrecer y sintesizar a gran escalaProducir esporas u otra manera facil de inocularCrecer en medio de cultivo liquido y baratoIdeal si crecen con desechos de otra industriaNo debe ser patogeno

IntroMicrobiologia Industrial tiene larga historiaIncas 3,5000Papas procesadas con calor y frioEuropeos siglo XVIIAhumadoAmericanos Revolucion Industrial Barcos y almacenes refrigerados1840 Nicolas appert esterilizo latas usando autoclaveEmpiezan usar calor en procesos industrials30 aos despues viene Pasteur

IntroLa industria se tecnificaCadena LogisticaEmpujada por el consumidorComida facil y rapidaTecnologia se apoya de naturaleza investigacionBasada en Microbiologia y Quimica

El Sistema Industrial

Otras materias

Sistema Industrial

Tecnologia Ingenieria de procesosBienes del equipoQuimicas de los alimentosLegislacionAnalisis de productoControl de calidadMicrobiologia Viabilidad economicaMercadoCostesBeneficio

Materias PrimasBase de la industriaSe basan en nutrientesH20, carbohidratos, lipidos, vitaminas, minerals, proteinasSu extraccion y preservacion son proceso complejoEl proceso industrial empieza por paro de microorganismos no deseados Empresas incurren grandes costos para preserver materias primas5 OperacionesPasteurizacionEsteralizacionRefrigeracionCongelacionSecado

Escalado de fermentacionTransferencia de pequea escala hasta equipo commercial.Procesos biocataliticos raramente son igualesFermentacion y areacion mas faciles en escala pequeaMayoria de procesos son aerobicosEscalado es tarea de ingeniero bioquimicoConoceTransferencia de gasesDinamica de fluidosTermodinamica

Proceso de EscaladoPrueba de MatrazFermentador de LaboratorioPlanta pilotoFermentacion commercialEl proceso es complejo se necesita conocerBiologia de organismoGeometria y manejo del fermentador

Eschema de proceso quimico

Materia primaTratamiento fisicoProceso quimicoTratamiento fisicoProductoRecirculacion

Cinetica

El objetivo de la Cinetica Qumica consiste en explorar las leyes que rigen el cambio de la composicion de un sistema en el tiempo y su relacion con las variables que definen su estado, en particular, con la presion, la temperatura y la composicion. La velocidad de reaccion de un sistema reactivo.

ProductoReactivotiempo

Clasificacion de reacciones quimicasSistemas monofasicosReacciones homogeneasSe conoce equilibrio quimico + cinetica quimicaUsualmente son gaseosas o con liquidos misciblesSistemas multifasicosReacciones heterogeneasAcoplar fenomenos fisicosSaber si es de una o mas fasesFases:Gas liquidGas solidoLiquidoo solidoLiquido inmisciblesPueden ser polifasicas, 3 o mas fases

Clasificacion de reacciones quimicasBomba NetzschUso en sistemas multifasicosMezclar sustancias como jarabes o yogurt

Biorreactor

Unbiorreactores unrecipienteo sistema que mantiene un ambientebiolgicamenteactivo. En el se lleva a cabo un procesoqumicoque involucraorganismoso sustanciasbioqumicamenteactivas derivadas de dichos organismosSe clasifican primeramente de acuerdo al modo de operacin:discontinuo, semicontinuo, continuo.

La operacin de un biorreactor puede ser de tres modos distintos:Lote (batch) -por lotes o tandas, sin alimentacinLote alimentado (fed-batch)- con alimentacin de entradaContinuo oquimiostato - una lnea de entrada o alimentacin y drena una lnea de salida

BiorreactorContenedorSe le llama fermentadorVariable en tamao desde 5L hasta 500,000L2 clasesAnaerobicosSon simples, solo eliminar exceso de calorAerobicosComplejos, necesitan Sistema de areacion

BiorreactorEschema del comportamiento del reactor

QuimicaTrans. materiaTrans. calorContactoEcuacion del modelo:

Salida = f (entrada, cinetica, contacto)CineticaEntradaSalidaReactor

Biorreactor

Biorreactor

Medios de cultivoDe la microbiologia industrial

Medios de cultivo.Son una mezcla de nutrientes que, en concentraciones adecuadas y en condiciones fsicas ptimas, permiten el crecimiento de los microorganismos. Son esenciales en el Laboratorio de Microbiologa por lo que un control en su fabricacin, preparacin, conservacin y uso, asegura la exactitud, confiabilidad y reproducibilidad de los resultados obtenidos.

Evolucin

La primera noticia de la utilizacin de medios de cultivo llega del miclogo Brefeld, que consigui aislar y cultivar esporas de hongos en medios slidos realizados a base de gelatina. Este sistema no era adecuado para las bacterias (por su menor tamao) y no fue hasta el ao 1878 cuando Lister populariz un mtodo enfocado al cultivo puro basado en diluciones seriadas en un medio lquido.

Clasificacin

De acuerdo a la naturaleza de sus constituyentes

Medios naturales o complejos: constituidos por sustancias complejas de origen animal o vegetal, las que son usualmente complementadas por la adicin de minerales y otras sustancias. Medios definidos o sintticos: son los medios que tienen una composicin qumica definida cuali y cuantitativamente. Generalmente se usan en trabajos de investigacin. De acuerdo al uso del medio de cultivoMedios de enriquecimiento: son medios lquidos que favorecen el crecimiento de un tipo de microorganismo en particular. Medios diferenciales: son medios que contienen indicadores de productos derivados de la actividad microbiana de los microorganismos. No contienen ningn tipo de sustancia con actividad antimicrobiana. Atendiendo a su estado fsicoLquidos Semislidos Slidos

Preparacin

Los medios de cultivo se pueden preparar en el laboratorio a partir de cada uno de sus constituyentes bsicos, o por simple rehidratacin de productos asequibles comercialmente (medios de cultivo deshidratados). Generalmente se prefiere el uso de los medios de cultivo deshidratados porque, adems de simplificar el trabajo, con ellos se tiene mayor probabilidad de obtener resultados reproducibles.

Condiciones generales para el cultivoDisponibilidad de nutrientes adecuadosUn medio de cultivo adecuado para la investigacin microbiolgica ha de contener, como mnimo, carbono, nitrgeno, azufre, fsforo y sales inorgnicas. En muchos casos sern necesarias ciertas vitaminas y otras sustancia inductoras del crecimiento.

Consistencia adecuada del medioPartiendo de un medio lquido podemos modificar su consistencia aadiendo productos como albmina, gelatina o agar, con lo que obtendramos medios en estado semislido o slido. Actualmente los medios slidos son de uso universal, por su versatilidad y comodidad, pero hay tambin gran cantidad de medios lquidos cuyo uso est ampliamente extendido en el laboratorio. Presencia (o ausencia) de oxgeno y otros gasesGran cantidad de bacterias pueden crecer en una atmsfera con tensin de oxgeno normal. Algunas pueden obtener el oxgeno directamente de variados sustratos. Pero los microorganismos anaerobios estrictos slo se desarrollarn adecuadamente en una atmsfera sin oxgeno ambiental.

Condiciones adecuadas de humedadUn nivel mnimo de humedad, tanto en el medio como en la atmsfera, es imprescindible para un buen desarrollo de las clulas vegetativas microbianas en los cultivos. Luz ambientalLa mayora de los microorganismos crecen mucho mejor en la oscuridad que en presencia de luz solar. Hay excepciones evidentes como sera el caso de los microorganismos fotosintticos. pHLa concentracin de iones hidrgeno es muy importante para el crecimiento de los microorganismos. La mayora de ellos se desarrollan mejor en medios con un pH neutro, aunque los hay que requieren medios ms o menos cidos. TemperaturaLos microorganismos mesfilos crecen de forma ptima a temperaturas entre 15 y 43 oC. Otros como los psicrfilos crecen a 0 oC y los temfilos a 80 oC o incluso a temperaturas superiores (hipertemfilos). Esterilidad del medioTodos los medios de cultivo han de estar perfectamente estriles para evitar la aparicin de formas de vida que puedan alterar, enmascarar o incluso impedir el crecimiento microbiano normal del o de los especimenes inoculados en dichos medios.

Preparacion de Medios de cultivo.

QU ES UN SUSTRATO?Un sustrato es todo material slido distinto del suelo, natural, de sntesis o residual, mineral u orgnico, que, colocado en un contenedor, en forma pura o en mezcla

otra definicin de sustrato.Un sustrato es un material mineral u orgnico, que se utiliza como sostn de un microorganismo durante su crecimiento y a nivel agrcola la produccin de la planta.

Propiedades qumicas de los sustratospH

Dependiendo su nivel de acido o bsico, ser la disponibilidad de nutrimentos.

Conductividad elctrica

De esta depender a la concentracin de sales que se encuentren en el sustrato y facilidad de asimilacin de nutrientes que tenga.

Cantidad de cationes (Ca, Mg, Na, NH4, k, H) que puede contener de sustrato para poder nutrir el medio de cultivo.

Propiedades fsicas de los sustratos

Suficiente suministro de aire. 85% porosidad total.Macroporos>20% .Elevada porosidad.

PorosidadEs el espacio que existe entre el mismo sustrato, el cual va estar ocupado por un ambiente adecuado y agua, la porosidad de un buen sustrato es de un 20 a un 30% la cual permitir un crecimiento adecuado para cualquier organismos.

Propiedades fsicas de los sustratosDensidad

Es conocer el espacio que ocupa, real y aparentemente, ya que de forma real sabemos cuanta porosidad tiene el sustrato (%) y de forma aparente sabemos el tamao de bolsa que necesitamos para que contenga el sustrato.

Propiedades biolgicas.Cualquier actividad biolgica en los sustratos es claramente perjudicial. Los microorganismos compiten por oxgeno y nutrientes.

Caractersticas de un buen sustratoAlta retencin de humedadBuen drenajeCirculacin de aireLibre de enfermedadesEstar disponible y a bajo costoMateriales reciclables o no contaminantes

CARACTERSTICAS DEL SUSTRATO IDEALEl mejor medio de cultivo depende de numerosos factores como son el tipo de materiales.Para obtener buenos resultados durante la germinacin, el enraizamiento a nivel vegetal y el crecimiento de microorganismos.

TIPOS DE SUSTRATOS Existen diferentes criterios de clasificacin de los sustratos, basados en el origen de los materiales, su naturaleza, sus propiedades, su capacidad de degradacin,

Segn sus propiedadesSustratos qumicamente inertes. Arena grantica o silcea, grava, roca volcnica, perlita, arcilla expandida, lana de roca, etc.

Sustratos qumicamente activos. Turbas rubias y negras, corteza de pino, vermiculita, materiales ligno-celulsicos,. Turbas rubias y negras, corteza de pino, vermiculita, materiales ligno-celulsicos,

Las diferencias entre ambos vienen determinadas por la capacidad de intercambio catinico o la capacidad de almacenamiento de nutrientes por parte del sustrato.

Velocidad de descomposicin.

Velocidad de descomposicin.La velocidad de descomposicin es funcin de la poblacin microbiana y de las condiciones ambientales en las que se encuentre el sustrato. Efectos de los productos de descomposicin. Muchos de los efectos biolgicos de los sustratos orgnicos se atribuyen a los cidos hmicos y flvicos, que son los productos finales de la degradacin biolgica.

Cultivos industrialesde clulas y tejidos

Elcultivo celulares el proceso mediante el cual las clulas, ya seanclulas procariotasoeucariotas, pueden cultivarse en condiciones controladas. En la prctica el trmino "cultivo celular" se usa normalmente en referencia al cultivo de tejidos y de clulas aisladas de eucariotas pluricelulares, especialmenteclulas animales.

Aislamiento de clulas

Las clulas pueden ser aisladas de los tejidos para cultivos in vitro de muchas maneras. Las clulas pueden ser purificadas con facilidad de la sangre, sin embargo slo los leucocitos son capaces de crecer en cultivo

Las clulas mononucleares se pueden liberar de los tejidos blandos mediante hidrlisis enzimtica con enzimas como la colagenasa, tripsina o pronasa, que degradan la matriz extracelular. Como alternativa se pueden colocar trozos de tejido en medio de crecimiento, y las clulas que crecen son aptas para el cultivo. Este mtodo es el conocido como cultivo de explantos.

Mantenimiento de clulas en cultivo.Las clulas se cultivan y mantienen a una apropiada temperatura y mezcla de gases (habitualmente, 37C, 5% CO2 y 95% O2) en un incubador celular. Las condiciones de cultivo varan ampliamente para cada tipo celular, y la variacin de las condiciones para un tipo celular concreto, puede dar lugar a la expresin de diferentes fenotipos.

Adems de la temperatura y la mezcla de gases, el factor ms comnmente variado en los sistemas de cultivo es el medio de crecimiento para cultivo celular. Las recetas para los medios de crecimiento pueden variar en pH, concentracin de glucosa, factores de crecimiento y la presencia de otros componentes nutritivos.

Los factores de crecimiento usados para suplementar a los medios derivan a menudo de sangre animal, como el suero bovino. Estos ingredientes derivados de la sangre plantean una potencial contaminacin con virus o priones de los productos farmacuticos derivados.

Aplicaciones del cultivo celularEl cultivo masivo de lneas celulares animales es fundamental para la manufactura de vacunas virales y diversos productos biotecnolgicos. Los productos biolgicos producidos mediante la tecnologa del ADN recombinante en cultivo celular incluyen enzimas, hormonas sintticas, inmunobiolgicos (anticuerpos monoclonales, interleucinas, linfoquinas y agentes anticancergenos).

ELIMINACIN DEL MATERIALCONTAMINADOBioseguridad Industrial

Bioseguridad IndustrialEn los laboratorios, la descontaminacin y la eliminacinde desechos son operaciones estrechamenterelacionadas. En el trabajo cotidiano, algunos materialescontaminados son destruidos, mientras que la mayor parte de la cristalera, los instrumentos y la ropa del laboratorio vuelve a utilizarse. El principio bsico es que todo el material que ha estado en contactocon microorganismos (potencialmente infeccioso)ha de ser descontaminado, esterilizado en autoclave o incinerado.Un residuo infeccioso puede definirse como aquelmaterial capaz de producir una infeccin, y en el laboratoriode microbiologa los mismos son generadoscada vez que se realiza un ensayo microbiolgico derutina, porque el material empleado ha entrado encontacto con microorganismos. Su manipulacin debeser realizada con mucho cuidado, para evitar lacontaminacin del ambiente y del personal que trabaja en el laboratorio. (Bioseguridad)

ELIMINACIN DEL MATERIALCONTAMINADO Todo el material contaminado (vidrio, metlico, etc.) deber ser colocado enrecipientes irrompibles y resistentes al calor, ubicados en el rea de trabajo. Siel material es desechable debe ser colocado directamente en las bolsas rojasde desechos biolgicos para posteriormente ser esterilizados y descartados. No se debe retirar el material contaminado una vez que ha sido colocado enlos recipientes destinados a su recoleccin, pues ello puede ocasionar accidentespor cortaduras, pinchazos o contacto directo con material contaminado. No se debe transferir el material de un recipiente a otro. Las pipetas deben descartarse dentro de recipientes plsticos especiales quecontengan en el fondo una solucin desinfectante. Los materiales punzantes deben descartarse en recipientes especiales a prueba de perforaciones. En el caso de las agujas nunca se les debe colocar directamenteel protector plstico. Las lminas porta-objetos, as como los cubre-objetos, se deben descartar recipientesplsticos especiales que contengan en el fondo una solucin desinfectante. Todos los recipientes que contienen material contaminado debern trasladarseal rea de esterilizacin, lavado y preparacin en carros diseados para transporter material.

ELIMINACIN DEL MATERIALCONTAMINADO No se deben dejar por ningn motivo, recipientes con material contaminado enlos pasillos o en lugares que no correspondan al rea de trabajo o esterilizacin. Todo material reutilizable contaminado deber seguir la siguiente secuencia detratamiento:1. EsterilizacinLa esterilizacin por calor hmedo (autoclave) es uno de los mtodosms empleados para la descontaminacin de medios de cultivo ycualquier material que contiene sustancias que se pueden adherir alemplear la esterilizacin por calor seco (horno).2. Lavado3. Secado4. Preparacin5. Esterilizacin6. Almacenamiento Todo material no reutilizable contaminado deber seguir la siguiente secuenciade tratamiento: