SHIKONINA

lithospermum erythrorhizon

SHIKONINA

BIOPROCESOS

Ingeniería Química

7° SEMESTRE

Metabolito

Diagrama

Índice de contenidos

Shikonina

Upstream

Generalidades

Medio de culltivo

Usos e impactos

Downstream

Procesos obtencion

Bioreactores

Países e industrias productoras

Parametros Cineticos

Cantidades producidas

Materia prima

DANIELA MUÑOZ CAICEDO LAURA VALENTINA MORENO ARCE BRAYAN STIVEN PULIDO ROBAYO GABRIELA TORRES SÁNCHEZ MARIA JOSÉ TRUJILLO HIDALGO

Diagrama de Proceso

Agente biologico productor

Bioproductos

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Generalidades del metabolito

Estructura química

Formula molecular: C16H16O5 Peso molecular: 288,29 g/mol Nombre IUPAC: 5,8-dihidroxi-2-[(1R)-1-hidroxi-4-metilpent-3-enilo]naftaleno-1,4-diona

Es un metabolito secundario que consiste en los compuestos químicos sintetizados por las plantas que no cumplen funciones esenciales.

Shikonina

Ver

Title 1

Un biolipstick rojo con colorantes biologicos.

Impactos eimpactos

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La shikonina se ha usado durante años como tinte rojo y tiene una actividad biológica como antibacterial, anti-inflamatorio, saneamiento de heridas y también tiene usos como protector antibacteriano y UV en tejidos de seda. La shikonina siendo un agente terapéutico potencial tanto en la cicatrización de heridas como el tratamiento de enfermedades de la piel, esto quiere decir que uno de los impactos de esta es que promueve la proliferación de células de la piel a través de la actividad inhibidora del proteasoma.(complejo multiproteico grande y muy conservado cuya función principal es degradar la enzima de proteínas).

PRODUCCION

Aceite anti acne

Actividad biológica como antibacterial, anti-inflamatorio, saneamiento de heridas y también tiene usos como protector antibacteriano

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Principales procesos para su obtención

Sintesis in - vitro

Vía biotecnológica

Este se realiza a partir de un experimento en un tubo de ensayo🧪, usualmente en un ambiente controlado fuera de un organismo vivo.

En el cultivo de células vegetales Lithospermum erythrorhizon

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Países y empresas productoras

Empresa Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. en Japón

Otros paises que manejan la Shikonina son China y Corea del sur.

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La raíz seca de Lithospermum erythrorhizon es una medicina herbal china con diversas actividades antivirales y biológicos, incluyendo la inhibición del virus de inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1)

Agente Biologico

Lithospermum erythrorhizon

La enzima geranyltransferase 4-hidroxibenzoato utiliza difosfato de geranilo y 4-hidroxibenzoato para producir 3-geranil-4-hidroxibenzoato y difosfato. Esta enzima está implicada en la biosíntesis de la shikonina.

Familia Boraginaceae y es conocida de forma común como: raíz roja gromwell y gromwell púrpura.

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Diagrama general del bioproceso

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Upstream

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Medios de cultivo

La producción de shikonina se maximiza con un sistema de cultivo por dos etapas; las células se propagan en una gran cantidad en la primera etapa que contiene medio MG-5, que luego de varios días se induce la producción de shikonina con medio M-9. Hay que tener en cuenta que un medio de cultivo para células vegetales está constituido principalmente por sacarosa, sales minerales, macro y micro nutrientes.

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Downstream

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Bioreactores para la produccion de Shikonina

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Bioreactor tipo Air-lift

Producción mejorada de metabolito de napthoquinone (shikonin) a partir de cultivo en suspensión celular de Arnebia sp. y su escalamiento a través del biorreactor

El tipo de biorreactor que se utiliza para este tipo de metabolito es el reactor air-lift; este biorreactor de elevación por aire de mesa, con camisa de agua y un recipiente de vidrio de sección inferior cóncava interna, de 2 litros de volumen de trabajo, también se utilizó para estudios a escala. La temperatura se fijó en 25 ± 2 °C, el pH (fijado en 5,75 para el medio de crecimiento y 6,00 para el medio de producción antes de la esterilización en autoclave) y el DO se suministra con aire comprimido a 2 L min-1. El medio de cultivo se mezcla por gasificación, donde el aire se introduce cerca del fondo a través de un anillo de chispas y sube por un tubo de tiro interno (Tabla 4). El controlador PID incorporado con el sistema del biorreactor controla y supervisa los parámetros establecidos durante el cultivo.

Articulo 1

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Aspectos ingenieriles del cultivo in invitro de células vegetales para la producción de metabolitos secundarios

Articulo 2

El biorreactor de tanque agitado (STR) ha sido comúnmente utilizado; sin embargo, es importante destacar que es de difícil escalado y presenta alto riesgo de contaminación por la presencia de partes móviles; además, cuando éste es empleado debe de garantizarse tanto la homogeneidad de la suspensión como una buena dispersión del gas en el líquido. El estudio del desempeño de diferentes tipos de agitadores ha mostrado que las turbinas de paleta inclinada con flujo axial ofrecen importantes ventajas en sistemas en los que la agitación está limitada por la resistencia al estrés de corte de las células; otro tipo de impulsores como las turbinas de disco con paleta curvada y también podrían ofrecer algunas ventajas.

Bioreactor STR

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Diseño de biorreactor: producción del colorante de shikonina a partir de células vegetales (Lithospermun erythrorhizon) inmovilizadas en un reactor de lecho fluidizado

El Cultivo de células in vitro ofrece la posibilidad de producción de metabolitos secundarios o para realizar biotransformaciones en reactores, en un lugar cerrado o bien sea en una planta industrial, el diseño del reactor para la producción de este es un lecho fluidizado (FBR) con soportes específicos de poliuretano para un cultivo de células vegetales en producción de colorante shikonina. Las partes más importantes de un reactor de lecho fluidizado son: plenum, lecho, plato distribuidor y brindas, con accesorios del reactor son un regulador de presión, válvula de esfera, mangueras y acoples.

Bioreactor de lecho fluidizado

Articulo 3

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Parametros cinéticos para la produccion de Shikonina

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Enhanced production of napthoquinone metabolite (shikonin) from cell suspension culture of Arnebia sp. and its up-scaling through bioreactor

Fases de crecimiento

Los resultados mostraron que las células tardan unos 2 días (fase de retardo) después de la inoculación en empezar a crecer activamente. El crecimiento exponencial (fase de retardo) persiste durante unos 8 días (2 a 10 días de período de cultivo), como se observa en la Fig. A partir de entonces el crecimiento comienza a dejar de seguir la fase estacionaria (entre 10 y 16 días de cultivo) y el inicio de la fase de declive (comienza a partir del día 16). Los resultados mostraron una fase de retraso de hasta 1 día, una fase logarítmica (exponencial) del 2º al 8º día, una fase estacionaria del 8º al 12º día y una fase de descenso del 12º día en adelante. La fase de retraso reducida y la fase logarítmica temprana pueden corroborarse hasta la edad del inóculo utilizado, haciendo que la aclimatación celular sea rápida.

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Rendimientos (Yxs, Yxp)

El rendimiento celular fue un 15% mayor con el uso del medio MG-5 que con el medio LS, lo que mostró que los medios MG5 Y MG9 para el cultivo resultó más eficiente aumentando un 11.5 en el rendimiento de shikonin en comparación con el crecimiento en el LS / White sistema de cultivo dual. La comparación de los rendimientos de shikonin por cultivo de plantas (48 meses, contenido de shikonin 1.4%) y cultivo celular (0.8 meses, 20%) indicó que el último método es aproximadamente 800 veces más productivo que el primero. Otro cálculo mostró que un tanque de cultivo de 750 l que contiene 600 l de medio puede producir 2 g / l de shikonin en 2 semanas.

Esto fue equivalente al rendimiento en 4 años de un campo de 17.6 hectáreas, con plantas de L. erythrorhizon cultivadas a una densidad de 3.5 plantas / m 2 , resultando en 25 g de raíces intactas por planta con un contenido de shikonin de 1.0%. La producción de shikonin por cultivo de células vegetales fue mucho más económica que por síntesis química ( Terada et al. 1983 , 1987). A partir de 1984, la shikonina producida por este método se utilizó comercialmente en Japón para cosméticos, como barras de labios, lociones y jabones; en la actualidad, sin embargo, estos productos no están disponibles.

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Velocidad específica máxima de crecimiento (µmax)

Analisis Estudios Teoricos

Estudios

Lithospermum erythrorhizon cell cultures: Present and future aspects

Producción de derivados de shikonina mediante cultivos en suspensión celular de Lithospermum erythrorhizon

Velocidad específica máxima de crecimiento (µmax) 0,215 d-1, ese valor se puede comparar con otro tipo de especies vegetales en cultivos sumergidos, las cuales tienen una velocidad específica de crecimiento en un rango de 0.15 a 0.63 d-1, tanto a escala de matraz como de biorreactor de tanque agitado.

OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS DE CULTIVO EN SUSPENSIÓN DE CÉLULAS DE LA ESPECIE VEGETAL Thevetia peruviana Y SU EFECTO EN LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS

• Para los rendimientos de los artículos investigados se puede evidenciar que el medio de cultivo MG-5 y M-9 es más eficiente obteniendo un mejor rendimiento que el medio de cultivo LS / White sistema de cultivo dual.
• En comparación de segundo y tercer artículo se puede notar que el rendimiento de la shikonina es más bajo que la Thevetia peruviana.
• En la velocidad específica de crecimiento del metabolito de interés (Shikonina) no se encontró artículos ni tesis pero se encontró una tesis de un metabolito secundario el cual es Thevetia peruviana donde muestran la velocidad específica de crecimiento y también una tabla de varios metabolitos secundarios que muestra cada uno con su velocidad específica de crecimiento y se puede ver que el rango está en 0.15 a 0.63 d-1, lo que se puede deducir que la velocidad de crecimiento de la shikonina debe estar en ese rango.
• El tiempo de duplicación de la shikonina es corta en comparación con otro metabolito secundario, ya que el tiempo de duplicación de la Shikonina es de 1 día mientras que la del Thevetia peruviana es de 3.22 días

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Conclusiones

La producción de shikonina no es muy amplia ya que este metabolito es cara en producción y aparte de esto la célula productora se encuentra en Asia y por tal razón no existe mucha producción en américa latina, y por esta razón el costo tan elevado de su producción. En el mundo solo existe una empresa productora, la cual se ubica en japón la cual es la empresa Petroquímica Mitsui.

Para el proceso de producción de la shikonina es más efectivo realizarlo en un reactor de lecho fluidizado ya que en este reactor se obtiene mayor concentración.

Se pueden realizar en diferentes tipos de reactores pero es preferible el del lecho fluidizado ya que tiene un mejor rendimiento para la shikonina y es más económico.

La shikonina a pesar de que se empezó a trabajar y estudiar en ella ya hace varios años es un producto muy novedoso para hoy en día ya que siguen pasando los años y sigue siendo de un costo elevado para su producción y por esta razón no se encuentran muchos artículos relacionados con el metabolito.

A pesar de que la producción de shikonina se puede dar de diversas células productoras como por ejemplo la Onosma bulbotrichum, se decidió elegir como célula productora la Lithospermum erythrorhizon ya que este se acomoda más a los parámetros ideales de lo que se pretende obtener

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Materia prima

Características

Atlas de potencial energetico de biomasa residual

- 111.7 toneladas de caña por hectárea (TCH) - 12.5 toneladas de azúcar por hectárea (TAH) -2.2 millones de toneladas de azúcar producida. -443 millones de litros de bioetanol producido. -174 mil toneladas de miel final producida.

Bagazo de la caña de azucar

Uno de los residuos de las industrias agro azucareras, las cuales se encuentran en una gran cantidad, tanto para empleo energético como para otros mercados de carácter socioeconómico

• Hemicelulosa: 25 - 50%
• Celulosa: 25 - 45%

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Nutrientes a partir de la caña de azucar

Compuestos adicionales para cumplir requerimientos nutricionales

Atlas de potencial energetico de biomasa residual

• Alimento para ganado vacuno
• Cachaza
• Guarapo
• Melaza

Condiciones de fermentacion

• Temperatura: 17 - 25°C.
• pH: 5 - 6.
• Hormonas de crecimieto.
• Fuente de carbono.
• Fuente de nitrogeno.
• Ácido rosmarínico.
• Concentración de oxigeno.

Diagrama del proceso

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BIOPRODUCTOS

BIOPRODUCTOS

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Esquema de la Política de Crecimiento verde, Conpes de Biotecnología entre otros

Valor

El rendimiento de la shikonina depende de la distribución geográfica y del clima, esto hace su variabilidad de distribución del pigmento obtenida de esta. Aunque se puede sintetizar químicamente, el proceso es de un alto costo, ya que es necesario de 12 pasos y tiene un rendimiento final de solo un 0.7%. En cuanto a la concentración de shikonina final en un reactor de lecho fluidizado es de 0.18mg/g de empaque, cuando se inició con una concentración de 0 mg de shikonina/g de empaque La Shikonina tiene un valor en el mercado de de US$4000 por kilogramo, aproximadamente $15.000.000 COP

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Bibliografía

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Ingeniería Química

¡Gracias!

daniela.munoz@estudiantes.uamerica.edu.co laura.moreno3@estudiantes.uamerica.edu.co brayan.pulido@estudiantes.uamerica.edu.co gabriela.torres2@estudiantes.uamerica.edu.co maria.trujillo@estudiantes.uamerica.edu.co