¿Qué son los bioprocesos?
Un bioproceso es una metodología específica que usa células vivas, u otros componentes de las mismas (enzimas, organelas, entre otras), para obtener algún producto deseado para la industria o para beneficio del ser humano. El bioproceso permite la obtención de productos ya conocidos, bajo condiciones ambientales óptimas, con una calidad superior a la manera de generarlo tradicionalmente.
Los bioprocesos permiten la obtención de organismos modificados genéticamente que pueden usarse con el objetivo de mejorar la eficiencia de procesos puntuales (enzimas o proteínas para emplearlas en tratamientos médicos, como la insulina) o bien consumirlos directamente por el ser humano.
La sociedad y la tecnología pueden usar los bioprocesos en distintas áreas para generar mejores y nuevas técnicas. Es aplicable a distintas áreas como la fabricación de alimentos, inducir mejoras en estos, creación de medicamentos, controlar la contaminación de distintos tipos y también al control del calentamiento global.
Actualmente, los diversos bioprocesos con los que cuenta la industria han tenido un impacto positivo y se han realizado inversiones millonarias para fomentar su crecimiento.
Características de los bioprocesos
- La característica más distintiva de los bioprocesos es el uso de microorganismos vivos o células para generar productos específicos. Estos organismos pueden ser bacterias, hongos, levaduras, células vegetales o animales, y desempeñan un papel activo en la síntesis o transformación de compuestos deseables.
- Los bioprocesos a menudo involucran etapas de fermentación o cultivo celular. La fermentación es una forma de metabolismo anaeróbico en la que los microorganismos utilizan materia orgánica para producir productos finales, como etanol o ácido láctico. Los cultivos celulares, por otro lado, se utilizan para producir proteínas recombinantes, anticuerpos y otros productos biotecnológicos.
- Debido a la naturaleza de los organismos vivos involucrados en los bioprocesos, es crucial mantener un control y monitoreo precisos del entorno de cultivo. Esto incluye el pH, la temperatura, la concentración de nutrientes y otros factores que afectan el crecimiento y la producción del organismo.
- Los bioprocesos están diseñados para funcionar a gran escala, lo que significa que pueden producir grandes cantidades de productos de manera eficiente. La capacidad de escalar la producción es esencial para satisfacer la demanda del mercado y hacer que el proceso sea económicamente viable.
- Uso de biorreactores y tecnología de fermentación: los biorreactores son dispositivos esenciales en los bioprocesos, ya que proporcionan un entorno controlado y estéril para el crecimiento y la actividad de los microorganismos. Estos biorreactores pueden ser de diferentes tipos, como biorreactores de tanque agitado, biorreactores de membrana o biorreactores de lecho fijo, dependiendo de la aplicación específica del proceso.
Objetivos de los bioprocesos
Los biólogos e ingenieros que participan en el desarrollo de bioprocesos buscan fomentar la implementación de esta tecnología, ya que permite:
- Generar productos químicos de un valor importante. Sin embargo, las cantidades que generalmente son producidas son algo reducidas.
- La síntesis o modificación de productos ya obtenidos por la vía tradicional usando la actividad de microorganismos aislados previamente. Estos pueden ser aminoácidos u otros materiales orgánicos, alimentos, entre otros.
- Transformación de sustancias en volúmenes considerables, como los alcoholes. Estos procedimientos suelen involucrar sustancias con poco valor.
- Mediante el uso de organismos o partes de estos se pueden degradar residuos y desechos tóxicos para transformarlos en sustancias de fácil reciclaje. Estos procesos también tienen relevancia en la industria minera, con la concentración de metales y explotación de minas vírgenes.
Ventajas y desventajas de la aplicación de bioprocesos
Ventajas
- La mayoría de los bioprocesos utilizan enzimas, que son catalizadores de naturaleza proteica. Estos trabajan a una temperatura, nivel de acidez y presión similares a las que resisten los organismos vivos, por esto los procesos ocurren a condiciones “amigables”.
- Además de ahorrar energía, trabajar en condiciones amigables para el ser humano hace que el procedimiento sea más seguro y facilita el proceso.
- También se reduce el impacto ambiental, ya que los productos de las reacciones enzimáticas no son desechos tóxicos.
- Los complejos manufactureros son más pequeños, simples y bastantes flexibles, por lo que no hace falta realizar una inversión de capital elevada.
Desventajas
- Una de las más importantes es una consecuencia intrínseca de trabajar con sistemas biológicos: la susceptibilidad a la contaminación. Por esto, debe trabajarse bajo condiciones asépticas muy controladas.
- En caso de que los cultivos lleguen a contaminarse, los microorganismos, los catalizadores o los productos que se obtiene pueden ser destruidos o perder su funcionalidad, ocasionando pérdidas considerables a la industria.
- Otro problema está relacionado con la manipulación de los organismos del trabajo. Generalmente, los laboratorios de genética y biología molecular trabajan con microorganismos a pequeña escala, donde es más fácil su cultivo y desarrollo óptimo. No obstante, extrapolar el proceso al cultivo masivo de los microorganismos supone una serie de obstáculos.
- Metodológicamente hablando, se complica la producción a gran escala de microorganismos y si no se realiza de la manera correcta puede llevar a la inestabilidad genética del sistema y a la heterogeneidad de los organismos en crecimiento.
Tipos de bioprocesos
El uso de microorganismos u otros entes biológicos para la producción de sustancias con interés para el humano es muy variado. En la producción, se puede aislar los compuestos de desecho del microorganismo para ser purificado y usado.
Del mismo modo, el organismo puede ser modificado mediante la aplicación de herramientas de la ingeniera genética para dirigir la producción. Esta metodología abre un abanico de posibilidades de los productos que se pueden obtener.
En otros casos, puede ser el organismos modificado genéticamente (y no lo que se pueda producir con el) lo que es de interés.
Etapas de un bioproceso
Etapas para producir insulina
Si se trabaja con organismos modificados en el laboratorio, el primer paso es la modificación. Para describir una metodología concreta describiremos la manufacturación de un ADN recombinante típico de un producto como la insulina, hormona de crecimiento o cualquier otro producto común.
Manipulación genética
Para llevar el producto a su comercialización, se debe proceder a la manipulación genética del organismo huésped. En este caso, el organismo suele ser Escherichia coli y el ADN clonado será ADN animal. En este contexto, el ADN “clonado” no quiere decir que queramos clonar todo un organismo, es simplemente el fragmento del gen de interés.
Si queremos producir la insulina, debemos identificar el segmento de ADN que tiene la información necesaria para la producción de dicha proteína.
Luego de la identificación, el segmento de interés se corta y se inserta en la bacteria E. coli. Es decir, la bacteria sirve como una pequeña fábrica de producción, y el investigador le da las “instrucciones” mediante la inserción del gen.
Esta es la etapa de ingeniería genética, que se realiza a pequeña escala y por un biólogo molecular o un bioquímico especializado. En este paso se requiere de equipo de laboratorio básico, como micropipetas, microcentrífugas, enzimas de restricción y un equipo para realizar geles de electroforesis.
Para entender el bioproceso, no es un requisito entender todos los pormenores que implica la clonación, lo importante es comprender que los niveles de expresión del producto deseado deben ser óptimos y la estabilidad del producto también debe ser la adecuada.
Cuantificar
Luego del proceso de clonación, el paso que sigue es medir el crecimiento y las características de las células recombinantes del paso anterior. Para realizarlo, se debe contar con habilidades en microbiología y en cinética.
Se debe tomar en cuenta que todas las variables ambientales como temperatura, composición del medio y pH sean óptimas, para asegurar la máxima producción. En este paso se cuantifican algunos parámetros, como tasa del crecimiento celular, productividad específica y el producto.
Aumento en la escala
Luego que ya se tiene estandarizada la metodología para producir la sustancia deseada, se procede a aumentar la escala de producción, y se preparan 1 o 2 litros del cultivo en un biorreactor.
En este se deben seguir manteniendo las condiciones de temperatura y pH. Se debe mantener especial atención a la concentración de oxígeno que necesita el cultivo.
Posteriormente, los investigadores van aumentando cada vez más la escala de producción, llegando a producir hasta 1.000 litros (también la cantidad depende del producto deseado).
Etapas de la fermentación
Como mencionamos, los bioprocesos son muy amplios y no todos involucran los pasos descritos en el apartado anterior. Por ejemplo, la fermentación es el ejemplo concreto y clásico de un bioproceso. En este se usan microorganismos, como hongos y bacterias.
Los microorganismos crecen en un medio con carbohidratos que usarán para su crecimiento. De esta manera, el producto de desecho que estos producen son los que tienen valor industrial. Entre estos tenemos el alcohol, el ácido láctico, entre otros.
Una vez que la sustancia de interés es producida por el microorganismo, se procede a su concentración y purificación. Un sinfín de alimentos (pan, yogur) y bebidas (cervezas, vino, entre otros) valiosas para el consumo humano se realizan usando este bioproceso.
Ejemplos de bioprocesos
- Producción de cerveza.
- Producción de yogur.
- Producción de bioplásticos.
- Producción de insulina recombinante.
- Producción de enzimas industriales.
- Producción de antibióticos.
Referencias
- Cragnolini, A. Cuestiones de política científica y tecnológica: materiales y sesiones del segundo Seminario Iberoamericano Jorge Sabato de Política Científica y Tecnologíca. Editorial CSIC-CSIC Press.
- Duque, J. P. Biotecnología. Netbiblo.
- Doran, P. M. Bioprocess engineering principles. Elsevier.
- Putting Biotechnology to work: bioprocess engineering. National Academies Press.
- Najafpour, G. Biochemical engineering and biotechnology. Elsevier.