Bioprocesos: características, tipos, ventajas y etapas
Un bioproceso es una metodología específica que usa células vivas, o también otros componentes de las mismas (enzimas, organelas, entre otras), para lograr la obtención de algún producto deseado para la industria o para beneficios 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.
Del mismo modo, los bioprocesos permiten la obtención de organismos modificados genéticamente que pueden ser usados con el objetivo de mejorar la eficiencia de procesos puntuales (enzimas o proteínas para ser usadas en tratamientos médicos, como la insulina) o bien ser consumidos directamente por el ser humano.
La sociedad y la tecnología pueden usar los bioprocesos en distintas áreas para conducir a mejores y a 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.
Índice del artículo
- 1 Características
- 2 Objetivos de los bioprocesos
- 3 Ventajas y desventajas de la aplicación de bioprocesos
- 4 Tipos
- 5 Etapas de un bioproceso
- 6 Referencias
En las ciencias de la biotecnología, un bioproceso es un proceso que utiliza alguna entidad biológica particular que genera como producto alguna sustancia de valor añadido determinado.
Es decir, el uso de alguna célula, microorganismo o porción celular genera un producto deseado por el investigador, que puede tener aplicaciones en algún área.
Además, existe la ingeniería del bioprocesamiento, la cual busca diseñar y desarrollar equipos para la manufacturación de una amplia diversidad de productos, relacionada con la agricultura, la generación de alimentos y medicinas, creación de químicos, entre otros, partiendo de materiales biológicos.
Gracias a la existencia de la ingeniería de los bioprocesos, la biotecnología puede traducirse en beneficios para la sociedad.
Los biólogos e ingenieros que participan en el desarrollo de bioprocesos buscan fomentar la implementación de esta tecnología, ya que permite:
-Por medio de los bioprocesos se pueden generar productos químicos de un valor importante. Sin embargo, las cantidades que generalmente son producidas son algo reducidas.
-Los bioprocesos permiten 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 a 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.
La existencia de bioprocesos otorga una serie de ventajas resaltantes, entre ellas el ahorro de energía para el procesamiento de sustancias, de la siguiente manera:
Condiciones amigables para los trabajadores
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”.
En contraste, con las temperaturas y presiones extremas a los cuales trabajan los catalizadores químicos usados en los procedimientos tradicionales. Además de ahorrar energía, trabajar a condiciones amigables para ser humano hace que el procedimiento sea más seguro y facilita el proceso.
Otra consecuencia de este hecho es la reducción del impacto ambiental, ya que los productos de las reacciones enzimáticas no son desechos tóxicos. En contraste con los desechos producidos por las metodologías estándar.
Los complejos manufactureros son más pequeños, simples y bastantes flexibles, por lo que no hace falta realizar una inversión de capital elevada.
Aunque los bioprocesos tienen muchas ventajas, existen aún puntos débiles dentro de las metodologías aplicadas, como:
Contaminación
Uno de los 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.
Generar cultivos a gran escala
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, es complicada 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.
Los productores buscan tener un cultivo homogéneo para lograr maximizar la producción de la sustancia en cuestión. No obstante, controlar la variabilidad que encontramos en los todos los sistemas biológicos es un problema a gran escala.
En conclusión, la producción de microorganismos para el uso industrial no es simplemente aumentar la producción que se realiza en el laboratorio, ya que este cambio de escala acarrea una serie de inconvenientes.
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.
Como el término “bioproceso” engloba una serie muy heterogénea y diversa de técnicas, es complicado englobar las etapas del mismo.
Si se trabaja con organismos modificados en el laboratorio, el primer paso es la modificación. Para lograr 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 tienen 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 bioreactor.
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).
Como mencionamos, los bioprocesos son muy amplios y no todos involucran los pasos descritos en el apartado anterior. Por ejemplo, la fermentación en 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, yogurt) y bebidas (cervezas, vino, entre otros) valiosas para el consumo humano se realizan usando este bioproceso.
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