UT-8 Biorreactores

Bioreactores

Profesor: Manuel Contreras Acuña

Índice

Factores que afectan a la cinénica enzimática

Microalgas

Cinética enzimática

Enzimas

Microorganismos

Introducción

1. Introducción

UT-8. Biorreactores

Biotransformación

Serie de eventos fisiológicos de un organismo (unicelular o pluricelular) para modificar las sustancias tanto endógenas como exógenas y transformarlas en metabolitos que puedan ser reabsorbidos y excretados. (OSMAN, 2015)

Biorreactor o fermentador

Un biorreactor o fermentador es el centro de todo proceso biotecnológico. Su función principal es proveer un ambiente controlado para alcanzar el máximo de crecimiento microbiano y/o para la formación óptima de productos. Además, el fermentador tiene como objetivo garantizar una condición esté ril que permita únicamente el cultivo de la especie biológica de interés

Criterios de diseño

2. Microorganismos

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Microorganismos

La palabra microorganismo proviene del griego, formada por “ mikro ” que significa pequeño, más la raíz “ organon ” que quiere decir órgano, herramienta o instrumento, y el sufijo “ismo” que significa actividad o sistema. Lo entendemos como cualquier organismo vivo que no sea visible a simple vista, formas unicelulare s. La ciencia que estudia estos fenómenos microscópicos es la microbiología. Entre estos microorganismos están las bacterias, los virus, los mohos y las levaduras (UPNA, 2016).

Elección de microorganismos

Un requisito esencial para seleccionar el microorganismo es que generen un alto rendimiento del producto. No obstante, esta condición no garantiza el buen desempeño del biorreactor y, menos aún, una alta productividad del proceso. Para esto es necesario tomar en cuenta otras propiedades de los microorganismos, en relación con el caldo de cultivo. Entre ellas están la variedad de sustratos que puede consumir, las condiciones de temperatura y pH a las cuales puede operar, los requerimientos de oxígeno, la tolerancia al producto y sustrato; así como la producción de co-productos, entre otras.

Sustrato

La sustancia sobre la cual actúa una enzima se llama sustrato. Los sustratos son específicos para cada enzima, por ejemplo: La sacarosa es el sustrato de la sacarasa que actúa rompiéndola en sus componentes (Enzimas)

3. Enzimas

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Enzimas y sistemas celulares como catalizadores

La palabra enzima deriva de la frase griega “ en zyme ”, que significa “en el fermento”. Las enzimas son biomoléculas especializadas en la catálisis de las reacciones químicas que tienen lugar en la célula (UNAD, 2016).

Uso de las enzimas en la industria

Teoría de la catálisis enzimática

Esta implica el análisis de cómo participan las enzimas dentro de una reacción química y cuál es su influe ncia sobre la velocidad de la misma. Asimismo, incluye las herramientas que te permitirán calcular la afinidad que tiene un biocatalizador por un sustrato y la velocidad máximaque puede llegar a adquirir (Fersht, 1980).

Biocatálisis

Biocatálisis o biotransformación

La palabra biocatálisis proviene de dos términos: “ bio ” que significa vida y catálisis ” que significa acelerar. Dentro de cada ser vivo se realizan un sin número de reacciones químicas, las cuales se efectúan de manera simultánea y a temperaturas moderadas. El término biocatálisis se refiere a la utilización de células o sus enzimas aisladas para catalizar reacciones o transformaciones que conducen a la obtención de compuestos de interés, que satisfacen numerosas necesidades humanas. Mientras que el término biotransformación hac e referencia a las transformaciones metabólicas que en el organismo sufren la mayoría de los agentes xenobióticos, asimismo esta transformación es catalizada, por enzimas (Cardellá Rosales, 2007). Ambos procesos se llevan a cabo dentro de los biorreactores.

Etapas proceso biocatalítico

News

Simulador catálisis heterogénea

4. Cinética enzimática

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Cofactor, coenzima y grupo prostético

El cofactor puede ser un ion metálico, la coenzima es una molécula orgánica, algunas enzimas necesitan de ambos para catalizar una reacción bioquímica. En un grupo prostético, el cofactor está unido fuertemente a la enzima (Quirasco & López Munguía Canales, 2006).

Para saber más

Cinética enzimática

Es una parte de la bioquímica encargada de estudiar las velocidades de reacción que son catalizadas por enzimas (Quirasco & López Munguía Canales, 2006).

Cinética enzimática

Existen cuatro características que diferencian a las reacciones enzimáticas con respecto a las reacciones químicas catalizadas:

Etapas

MIchaelis -Menten

En 1913, el bioquímico alemán L. Michaelis y la médica canadiense M.L. Menten formularon una ecuación matemática que relaciona la velocidad de reacción y la [S]. En dicha ecuación aparece el término k m , denominado “ constante de Michaelis Menten La K M es una característica constante de cada enzima: se interpreta como un indicador de la afinidad entre un enzima y su sustrato y equivale a la concentración de sustrato a la cual se alcanza la mitad de la vel ocidad máxima de reacción (Colegio marista de Granada, 2016).

MIchaelis -Menten

5. Cinética enzimática: Factores influyentes

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Factores influyentes

Inhibidores

Conservadores

Son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de enzimas que habitualmente están activas. Pueden ser cationes, moléculas orgánicas y, con frecuencia, el producto final de la reacción o de una serie de reacciones. En este último caso, la enzima deja d e actuar cuando no se necesita más cantidad de producto y es él quien la inhibe. Se conoce como inhibición feedback o retroinhibición (Colegio Marista de Granada, 2016).

En la industria alimenticia a los inhibidores se les llama conservadores. Estos pertenecen a un grupo de sustancias llamadas aditivos que suelen agregarse a los alimentos procesados para mejorarlos. Son sustancias capaces de inhibir, retardar o detener los procesos de fermentación, enmohecimiento, putrefacción y otras alteraciones biológicas de los alimentos y bebidas (Quiminet, 2016)

Factores influyentes

Centro activo

Especificidad

La especificidad enzima sustrato se debe a la estructura proteica de la apoenzima, la cual determina una forma espacial característica del centro activo donde se acopla el sustrato. Los radicales de los aminoácidos de fijación se unen a éste mediante enlaces débiles, no covalentes, favoreciendo la orientación apropiada del sustrato para la reacción. Tipos de especificidad: a) Especificidad de sustrato: consiste en que los enzimas pueden catalizar la transformación de un sustrato concreto (especificidad absoluta) o una f amilia de sustratos relacionados estructuralmente (especificidad relativa). b) Especificidad de reacción: consiste en que cada enzima cataliza una sola de las posibles reacciones que puede experimentar un substrato (Colegio Marista de Granada, 2016).

Todas las enzimas son proteínas. Tienen una estructura tridimensional globular y solo presentan actividad cuando tienen una conformación espacial que permite establecer una disposición óptima de los aminoácidos de su centro activo o sitio activo. En las en zimas, el agua actúa facilitando la integración de su estructura proteínica, lo que conlleva a la formación del centro activo ; además, también favorece la difusión de los reactivos e interviene como tal en las reacciones de hidrólisis (Gálvez et al , 2006)

Factores influyentes

pH

Desnaturalización

El pH óptimo para cada enzima depende de su naturaleza, habitualmente no suelen ser muy extremos y no se alejan dermasiado del pH neutro., siendo mayoritariamente básicos.

Se define como el cambio que sufren las enzimas en su estructura, por lo que se observa pérdida de actividad catalítica hasta la anulación (Gálvez y et al. al., 2006)

Factores influyentes

Temperatura

La velocidad de una reacción enzimática se incrementa al aumentar la temperatura, dentro de un determinado rango, alcanzando un valor máximo a la denominada temperatura óptima. A valores superiores la actividad disminuye debido a que la enzima, como cualquier otra proteína, sufre procesos de desnaturalización y por tanto de inactivación (Tena & Jorrín, 2016).

Factores influyentes

Inhibidor enzimático

Un inhibidor enzimático es algún compuesto que impide que alguna, o algunas, enzimas catalicen. Este tipo de compuestos son específicos, o sea que pueden inhibir a un grupo de enzimas, pero no tener ninguna actividad con otras enzimas (Martínez, 2016).

Factores influyentes

Inhibidor enzimático

Factores influyentes

Inmovilización enzimática

La inmovilización de enzimas es un proceso en el que se confina o localiza a la enzima en una región definida del espacio, para dar lugar a formas insolubles que retienen su actividad catalítica y que pueden ser reutilizadas repetidamente (Arroyo, 1998).

6. Microalgas

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¿Qué son las microalgas?

Son organismos unicelulares eucariotas fotosintéticos (2-200 μm), que pueden crecer de modo autotrófico o heterotrófico.

Algo más sobre las microalgas

1. Fijan CO2 cuatro veces más que las plantas.
2. Su importancia se centra en que al ser productoras primarias de la cadena trófica, producen materia orgánica a partir de materia inorgánica, las cuales se utilizan en diferentes industrias.
3. Se adaptan a diversos ambientes acuáticos en todo el mundo.
4. Tradición de más de 70 años en el cultivo de microorganismos.
5. Se producen más de 20.000 t/año, de distintos productos, como:

a. Industria alimentaria b. Acuícola c. Farmacología d. Cosmética e. Energía

Algo más sobre las microalgas

1. Existen más de 30.000 especies, pero sólo 100 han sido estudiadas y únicamente 10 explotadas comercialmente.
2. Aunque la mayoría son autótrofas, hay organismos heterótrofos.
3. Según esto, la producción de microalgas se divide en:

a. Fotoautótrofa b. Fotoheterótrofa c. Mixotrófica d. Heterótrofa

Fotoautótrofa

Fotoheterótrofa

Compuestos orgánicos

Células

Mixotrófica

Mixotrófica

¿Por qué son interesantes las microalgas?

1. Producción de energía (hidrógeno y biocombustibles)
2. Limpieza de mediaambiente, absorción CO2 y purificar agua
3. Producción de alimentos como: Vitaminas, ácidos grasos y pigmentos.
4. Fertilizantes
5. Acuicultura
6. Comética

¿Por qué son interesantes las microalgas?

¿Por qué son interesantes las microalgas?

¿Por qué son interesantes las microalgas?

Biocombustibles

Cultivo de microalgas

Es improtante conocer las condiciones óptimas para que las microalgas puedan desarrollarse, los factores más importantes son:

• CO2, nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio y otros nutrientes menores como metales, que actúan como cofactores enzimáticos.
• Temperatura
• Intensidad lumínica
• Salinidad
• pH

Cultivo de microalgas

Cultivo de microalgas

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