Definición de Bioprocesos características, y etapas

Valeria Lemus Castillo
Ingeniera en Biotecnología

Un bioproceso es una serie de pasos que involucra el uso de células (animales, vegetales, microbianas o fúngicas) con el fin de producir bienes o servicios. Usualmente, se generan productos biotecnológicos como medicinas (antibióticos y vacunas), alimentos o bebidas (la cerveza, el vino, vinagre, queso o yogurt) u otros productos como el biocombustible.

Para crear cualquier producto o servicio que te puedas imaginar se requiere de seguir una serie de pasos a la cual se le conoce como proceso. Existen múltiples tipos de procesos (biológicos, químicos, mecánicos, eléctricos, médicos, físicos etc.) los cuales están destinados a desarrollar un producto o servicio en concreto, en esta ocasión hablaremos de procesos biológicos o mejor conocidos como bioprocesos.

1. Características de un bioproceso

A. Uso de células

De nuevo, un bioproceso es una serie de pasos que requiere del uso de células para la producción de un bien o servicio. Es importante recalcar el uso de células ya que es la principal característica de este tipo de proceso.

Generalmente, a las células a emplear se les denomina catalizador biológico. Un catalizador es una sustancia que hace que las reacciones químicas se lleven a cabo con mayor rapidez sin que la sustancia en sí sea modificada o consumida; en este caso un catalizador biológico o también conocido como biocatalizador hace referencia a células o enzimas (proteínas específicas para realizar reacciones) que efectúan procesos químicos con mayor facilidad y en menor tiempo.

B. Uso de Biorreactor

Para que un bioproceso se lleve a cabo de la mejor manera dependerá de lo bien que sea tratado el microorganismo que se emplee. Los sistemas biológicos suelen ser difíciles y complejos de controlar o mantener, requieren de muchas variables de las cuales dependerá su supervivencia y buen funcionamiento.

La segunda caracteriza de los bioprocesos es uso de biorreactores o fermentadores, los cuales son contenedores diseñados para brindar las condiciones óptimas a las células a emplear. Estos contenedores serán “la casa” en la que vivirán los microorganismos por un periodo determinado de tiempo y dependerá de lo bien que sean atendidos para que puedan crecer y producir el producto que deseamos. Existen diferentes tipos de biorreactores/fermentadores los cuales están adaptados al microrganismo a contener, pueden variar de tamaño o forma, pero su función principal es brindar las condiciones adecuadas: pH, temperatura y presión constantes, un nivel de aireación y agitación adecuados y un constante monitoreo.

2. Etapas de los bioprocesos

Los bioprocesos se caracterizan por estar divididos en tres etapas: Upstream, Middlestream y Downstream. Pero primero para llegar a ellos usualmente se comienza por un escalamiento de proceso. Este escalamiento consiste en comenzar con un cultivo a pequeña escala dentro de un matraz de aproximadamente 250ml-1L de capacidad, una vez comprobada la viabilidad de la cepa, esta es trasladada a un biorreactor de pruebas, el cual es un minireactor de una capacidad de 1-2L. Esto se hace para poder monitorear el desarrollo del microorganismo en cuestión antes de ser trasladado a los biorreactores de mayor capacidad que van de los 100-1000L a modo de evadir riesgos y asegurarse una óptima producción.

A. Upstream

Es la parte inicial de un bioproceso, en ella ocurren tres cosas: la inoculación, la producción del medio de cultivo y la esterilización.

• Inoculación: Es la colocación del microorganismo a utilizar dentro de un medio de cultivo.

• Preparación de medio de cultivo: Un medio de cultivo es el alimento del cual vivirá el microorganismo a utilizar, este estará hecho en base a las necesidades del organismo. Es necesario que sea un medio de cultivo específico, ya que, de lo contrario el microorganismo podría no crecer adecuadamente o incluso morir en el proceso.

• Esterilización: En un bioproceso es indispensable que los materiales a utilizar se encuentren inocuos, es decir, que no haya ningún tipo de microorganismo (especialmente bacteria u hongo) o restos de ellos que puedan contaminar el proceso. Es bien sabido que en el ambiente se encuentran miles de bacterias u hongos, los cuales podrían aprovecharse del medio de cultivo. De encontrarse algún microorganismo ajeno al seleccionado para el bioproceso, este crecerá a la par creando productos alternos al deseado o incluso peor, podría impedir el crecimiento del organismo predilecto provocando su muerte, por lo que el producto obtenido sería totalmente distinto al previsto.

B. Middlestream

En esta parte el organismo es introducido al biorreactor o fermentador en donde ocurrirá la biotransformación, la cual es el proceso en donde la materia prima es trasformada a través de la actividad enzimática del organismo para obtener los productos deseados. En este paso se ha de elegir el sistema de operación que se llevará acabo para la producción del metabolito, un metabolito es la sustancia obtenida tras un proceso metabólico.

Tipos de sistemas de operación

Para comenzar hemos de aclarar los términos termodinámica y sistema termodinámico. La termodinámica de acuerdo con M. Doran (1998) es la rama que nos ayuda a entender las propiedades de la materia, ya que, se enfoca en visualizar cómo la energía fluye a través sus interacciones. Para poder visualizar esta transferencia es necesario delimitar sistemas termodinámicos, un sistema es un cúmulo de objetos los cuales se encuentren relacionados. El sistema debe de estar delimitado por un límite real y tangible que lo separe de los “alrededores” como se muestra en la siguiente imagen.

“Sistema termodinámico” (1998) Pauline M. Doran. Principios de ingeniería de los bioprocesos. Acribia, S. A.

Para ayudarte a visualizarlo mejor, imagínate que el sistema es el medio de cultivo en el cual se encuentran inmerso los microorganismos que se emplearán, su límite es la pared del biorreactor/fermentador y los alrededores la fábrica que se encargará de la producción de una vacuna.

Existen dos tipos de sistemas:

Sistema cerrado: Cuando el límite del sistema no permite la entrada de materia de los alrededores al sistema o, por el contrario, no permite la salida de materia del sistema a los alrededores se le conoce como sistema cerrado. Este sistema se caracteriza por la concentración de materia constante.

Sistema abierto: A diferencia del anterior, el sistema abierto sí permite la transferencia de materia, tanto de los alrededores hacia adentro y viceversa. En este sistema la concentración de materia puede variar con el tiempo.

Una vez aclarado lo anterior procederemos a ver los distintos tipos de procesos de operación:

Discontinuo: Es un proceso de sistema cerrado, en el cual toda la materia se añade al biorreactor desde un principio, se cierra para que pueda ocurrir la biotransformación y al último se recuperan los productos obtenidos.

Semicontinuo: Sistema de tipo abierto en donde la entrada o la salida de la masa es permitida pero no al mismo tiempo.

Alimentado: Proceso de sistema abierto que permite la entrada de la materia al sistema, pero no su salida.

Continuo: Proceso de tipo abierto que permite la entrada y salida de materia al mismo tiempo.

C. Downstream

Una vez terminado la parte del middlestream se obtiene un “caldo” en el que se encuentra inmerso las células empleadas, restos del medio de cultivo y, dependiendo del organismo, el metabolito deseado o restos de metabolitos alternos. Por lo que es momento de purificar esa mezcla hasta obtener el producto esperado.

El Downstream es el proceso final que consta de la recuperación del producto que se desea obtener a través de operaciones unitarias, las cuales son procesos químicos o físicos que ayudarán en la parte de purificación del producto. Esta suele ser la parte más costosa de todo el bioproceso llegando a acaparar alrededor del 80% del costo total.

En algunas ocasiones el producto deseado es excretado por la célula quedando almacenado en el “caldo” final, por lo que solo se requerirá de la purificación de este a través de procesos como evaporación, destilación, secado, filtración etc. Sin embargo, en muchas otras ocasiones el metabolito se encuentra dentro de la célula, por lo que es necesario llevar a cabo previamente procesos de lisis celular (desintegración de la membrana celular) para que puedan ser obtenidos.

Este paso además de ser el más costoso también suele ser el de mayor tiempo ya que requiere de una adecuada serie de pasos alternos, los cuales dependen del nivel de purificación que se desea aplicar.

En la siguiente imagen podrás observar un diagrama de flujo de un bioproceso en donde las flechas señaladas con color verde son parte del Upstream, las azules del Middlestrema y las rojas del Downstream.

“Diagrama de flujo del proceso de producción de bacitracina” (1998) Pauline M. Doran. Principios de ingeniería de los bioprocesos. Acribia, S. A.

Referencias

• Pauline M. Doran. (1998). Principios de ingeniería de los bioprocesos. España: Acribia S.A.

• F.A. Ortega; H. Alvarez; H.A. Botero. (2017). Enfrentando el modelado de bioprocesos: una revisión de las metodologías de modelado. ION, Vol.30, 1, pp. 73-90.

• Catalina Rosales López. (2019). Los bioprocesos en la biotecnología: uso de biorreactores para la producción y el escalamiento de productos de interés comercial. Tecnología en Marcha, Vol. 32, pp. 41-46.

• Gastón Ortíz. (2011). Introducción a los Bioprocesos de IBUNSAM.

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Autora

Escrito por Valeria Lemus Castillo para la Edición #112 de Enciclopedia Asigna, en 06/2022. Valeria es Ingeniera en Biotecnología. Egresada de la Universidad Politécnica de Tlaxcala y estudiante de la maestría en Biotecnología Aplicada por el Centro de Investigación de Biotecnología Aplicada CIBA del Instituto Politécnico Nacional.