Bioprocessing Part 1: Fermentation

Summary

El proceso de fermentación, utilizado en la producción de productos lácteos, panificados y bebidas, se describe como una 'descomposición controlada' de alimentos. Se explica cómo las células, como bacterias, hongos o células de mamíferos, son utilizadas en biotecnología para fabricar productos como aminoácidos, biofármacos y vitaminas. El video detalla el ciclo de crecimiento celular y cómo se controla el ambiente en un bioreactor para producir, por ejemplo, la proteina fluorescente verde (GFP), destacando la preparación, la expansión de cepas bacterianas y el monitoreo riguroso del proceso.

Takeaways

• 🍶 La fermentación es un proceso utilizado diariamente para producir una variedad de productos lácteos, productos horneados y bebidas.
• 🌱 Aunque a veces se considera que la fermentación es dejar que los alimentos se deterioren de manera controlada, en realidad es un proceso biológico cuidadosamente regulado.
• 🧫 Se pueden utilizar células de bacterias, hongos o células específicas de mamíferos, plantas o insectos en la biotecnología para producir productos a través de la fermentación.
• 🥛 Para productos lácteos como el yogur, la leche desnatada y el queso, se utilizan bacterias, mientras que para panes y bebidas alcohólicas se usa levadura, un hongo.
• 💊 La fermentación también es fundamental en la producción de algunas vacunas, que requieren la crecimiento de células mamíferas infectadas por un virus específico.
• 🔬 La fermentación es un proceso sencillo que comienza con la selección de una célula capaz de producir el producto deseado y se escala hasta conditions de producción a gran escala.
• 🌡 El proceso de fermentación requiere un control riguroso del entorno en el bioreactor, incluyendo la temperatura, la presión, el pH y los niveles de oxígeno y nutrientes.
• 📈 El crecimiento de las células en la fermentación sigue un patrón predecible con fases de lag, crecimiento exponencial, estacionario y muerte.
• 🌿 Un ejemplo específico mencionado es la producción de la proteina fluorescente verde (GFP), que se usa ampliamente como marcador biológico y no interfiere con las funciones celulares normales.
• 🔬 El proceso de fermentación de la GFP incluye la adición de un antibiótico para proteger la pureza del lote y un inductor bioquímico para activar el gen de la GFP.
• 🔄 La terminación del proceso de fermentación se da cuando el nutriente clave, como el glucógeno, se consume principalmente y el lote alcanza la concentración deseada, listo para pasar a la fase de recuperación.

Q & A

¿Qué es la fermentación y cómo se utiliza en la producción de alimentos y bebidas?

La fermentación es un proceso utilizado diariamente para producir una variedad de productos lácteos, productos horneados y bebidas. Se considera a veces como dejar que los alimentos se deterioren de manera controlada, con la ayuda de microorganismos como bacterias y levaduras.

¿Cuáles son algunos ejemplos de productos que se producen a gran escala mediante la fermentación comercial?

Algunos ejemplos de productos producidos a gran escala incluyen aminoácidos, biofármacos, tintes, enzimas, alimentos, lípidos, esteroides y vitaminas.

¿Cómo se selecciona una célula para la fermentación y qué papel desempeña en el proceso?

Una célula se selecciona según su capacidad para producir el producto deseado. Las células pueden ser bacterias, hongos o células de mamíferos, plantas o insectos. Se utilizan para fabricar un producto en un proceso llamado fermentación en biotecnología.

¿Qué es el medio de cultivo y cómo provee las necesidades nutricionales de las células durante la fermentación?

El medio de cultivo es una sustancia que proporciona las sustancias nutritivas que las células necesitan para crecer. Incluye nutrientes, estabilizadores, antibióticos y agentes antiespumantes, y se mezcla con el agua de alta pureza para preparar el medio antes de la fermentación.

¿Qué es un bioreactor y cómo se utiliza en la fermentación?

Un bioreactor, también conocido como fermentador, es un recipiente donde se lleva a cabo la fermentación a gran escala. Proporciona condiciones controladas para el crecimiento de las células y la producción del producto, con sensores integrados para monitorear factores críticos como temperatura, pH, oxígeno disuelto y presión.

¿Cuáles son las fases del ciclo de vida de una lote de fermentación y cómo se relacionan con la producción del producto?

Las fases incluyen la fase de adaptación (lag), la fase de crecimiento exponencial (log), la fase estacionaria y la fase de muerte. Cada fase es crucial para el rendimiento de la fermentación, ya que la producción del producto se maximiza generalmente durante la fase estacionaria cuando los nutrientes clave se han consumido y la concentración de células es óptima.

¿Qué es la proteína fluorescente verde (GFP) y cómo se produce mediante la fermentación?

La GFP es una sustancia fluorescente ampliamente utilizada como marcador biológico. Se produce a través de la fermentación utilizando bacterias E. coli genéticamente modificadas para producir GFP. Se agrega un inductor bioquímico (IPTG) para activar la expresión del gen de la GFP en las células.

¿Cómo se prepara el área y el equipo antes de iniciar el proceso de fermentación?

El área y el equipo se preparan eliminando material no utilizado, limpiando y sanitizando el área y el equipo, y esterilizando el equipo según los procedimientos operativos estándar (SOPs). También se verifican y calibran los instrumentos y se cargan y verifican los softwares de control de proceso.

¿Qué pasos se siguen para la expansión del lote de semilla bacteriano y la inoculación en el bioreactor?

Primero, se descongela la bacteria E. coli modificada y se inocula en un frasco de agitación con medio fresco. Una vez que las células alcanzan la cantidad objetivo, se preparan para la fermentación. Se verifica y calibra el equipo crítico, se mezcla el medio en el bioreactor, se esteriliza y se inocula con el lote expandido de la semilla bacteriana.

¿Cómo se monitorea y controla el proceso de fermentación durante su ejecución?

Durante la fermentación, se toman lecturas regulares de temperatura, RPM del agitador, niveles de oxígeno disuelto, pH, presión del recipiente, densidad óptica, tasa de flujo de aire y concentraciones de glucosa. Estos datos se grafican y documentan para garantizar que el proceso se realice de manera efectiva.

¿Qué ocurre una vez que se completa la fermentación y cómo se procesa el producto final?

Una vez completa la fermentación, el producto (llamado mosto) se enfríe, se bombea a un tanque de mosto y se etiqueta con el número de lote, volumen, tiempo y fecha. El mosto, que contiene los medios gastados y las células, se traslada al proceso de recuperación, donde se rompen las células para liberar la GFP y se separa de los otros componentes del mosto.