Producción de penicilina
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La penicilina fue descubierta en 1929 y se convirtió en el primer antibiótico producido comercialmente para tratar infecciones durante la Segunda Guerra Mundial. Actualmente, la penicilina se produce mediante la fermentación de ciertas cepas de hongos del género Penicillium en reactores de 40,000 a 200,000 litros, seguida de la extracción con solventes orgánicos y la purificación a través de la cristalización para obtener penicilina cristalina grado farmacéutico.
Producción de penicilina
- 1. Universidad Autónoma del Estado de México Facultad de Química UA: Reactores Biológicos Producción de penicilina Nolasco Terrón Eder Yair Grupo 85 IQ Penicilina Los antibióticos son productos del metabolismo microbiano que son capaces de matar o inhibir el crecimiento de otros microorganismos a bajas concentraciones. Durante la II Guerra Mundial la demanda de agentes quimioterapéuticos para tratar las infecciones de las heridas condujo al desarrollo de un proceso de producción para la penicilina y al inicio de la era de investigación sobre los antibióticos. En la actualidad continúa siendo una de las áreas más importante de investigación dentro de la Microbiología Industrial. Los antibióticos son producidos por bacterias y hongos. Entre los hongos, solamente 10 de los antibióticos conocidos se producen comercialmente y solamente las penicilinas, cefalosporina C, griseofulvina y ácido fusídico tienen importancia clínica. La penicilina fue descrita por Fleming en 1929. Un grupo de investigación en Oxford, bajo la dirección de Florey y Chain, la aisló a partir de cultivos de Penicillium notatum en 1940 y la primera aplicación clínica de la penicilina se realizó en 1941. Las penicilinas son producidas por muchos hongos, particularmente especies de Penicillium y Aspergillus. Métodos de producción La penicilina G y la penicilina V son producidas utilizando procesos sumergidos en fermentadores de 40.000-200.000 litros. Debido a las dificultades en el suministro de oxígeno no pueden ser empleados tanques mayores. La fermentación de penicilina es un proceso aeróbico con una velocidad de absorción volumétrica de oxígeno de 0,4-0,8 mM/l min. La velocidad de aireación requerida está entre 0,5-1,0 volúmenes de aire (volumen de líquido)-1 min-1 dependiendo de la cepa, del biorreactor y del tipo de impulsor. Para el mezclado se suelen utilizar varios impulsores de tipo Rushton (120-150 rpm). El rango de temperatura óptima es de 25-27°C. En un esquema típico de producción de penicilina el inóculo se inicia utilizando esporas liofilizadas. Debido a la gran variabilidad de las cepas de alta producción, es necesario el mantenimiento cuidadoso de las cepas. La concentración de esporas (óptima 5x103/ ml) y la formación de agregados son cruciales para el rendimiento subsecuente. Si se quiere conseguir una velocidad óptima de formación de penicilina, los agregados (pellets) no deben crecer como bolas compactas sino de una forma suelta. Después de varias etapas de crecimiento está preparado el cultivo de producción. En la fermentación típica de penicilina existe una fase de crecimiento de unas 40h con un tiempo de duplicación de 6h, durante la cual se forma la mayor parte de la masa celular. El suministro de oxígeno es crítico en el cultivo en crecimiento ya que el aumento de la viscosidad dificulta la transferencia de oxígeno. Después de la fase de crecimiento, el cultivo llega a la fase real de producción de penicilina. Debido al aporte de distintos componentes al medio, la fase de producción puede extenderse hasta 120-160h.
- 2. Universidad Autónoma del Estado de México Facultad de Química UA: Reactores Biológicos Producción de penicilina Nolasco Terrón Eder Yair Grupo 85 IQ Actualmente la extracción con solventes es la base para la separación y purificación de la penicilina. El primer paso consiste en separar el micelio del medio de cultivo empleando un filtro rotatorio a vacío tipo cilíndrico. El filtrado rico en penicilina es luego enfriado en un intercambiador de calor a 0 - 4 °C con el objeto de disminuir la degradación enzimática y química durante las etapas de extracción posteriores. Las penicilinas G y V son ácidos fuertes (pKa entre 2.5 - 3.1). Las formas ácidas son solubles en muchos solventes orgánicos y se pueden extraer con un alto rendimiento en acetato de amilo o de butilo a pH 2.5 - 3.0. La extracción se puede realizar en operaciones continuas, a contracorriente en extractores centrífugos en etapas múltiples, a temperaturas de 0 - 3 °C. Otra posibilidad es el empleo de mezcladores estáticos o decantadores, los cuales tienen en menor costo de inversión. Se debe tener en cuenta que tanto la penicilina G como la V se degradan en medio ácido con una cinética de primer orden a una velocidad proporcional a la temperatura y recíproca con respecto al pH. Esto hace que la vida media en condiciones de eficiente extracción en medio ácido sea muy reducida. Sin embargo como la forma V en tales condiciones es más estable que la G, si el objetivo es obtener 6-amino penicilánico (6-APA) la producción de penicilina V es más aconsejable.
- 3. Universidad Autónoma del Estado de México Facultad de Química UA: Reactores Biológicos Producción de penicilina Nolasco Terrón Eder Yair Grupo 85 IQ La extracción de penicilina se puede realizar en una o más etapas sucesivas, con una acidificación del caldo filtrado con H2SO4 o H3PO4 al 10% P/V y con el agregado de un agente surfactante (0,003 - 0,1% P/P, en el solvente), realizándose la extracción y concentración en extractores centrífugos. Dependiendo de las especificaciones de uso final, el solvente conteniendo penicilina se puede tratar con carbón para separar pigmentos y otras impurezas. Esta etapa actualmente no se realiza debido a las bajas impurezas de los caldos y a los altos rendimientos obtenidos. La cristalización se puede realizar desde la fase acuosa si se desea, siendo los valores críticos las concentraciones de sodio o potasio, la temperatura, la concentración de penicilina y el pH. En caso de hacerse la cristalización a partir de un solvente se requiere también un exceso de Na+ o K+, siendo los cristales recuperados en un filtro rotatorio a vacío. Estos cristales son lavados y presecados con un solvente volátil que también separa impurezas coloreadas. El secado definitivo se puede realizar con aire caliente, vacío o calor radiante. La penicilina cristalina G o V así obtenida puede ser empleada como tal o como intermediario que es convertido a 6-APA para obtener nuevas penicilinas semisintéticas, cuidando en todos los casos que los productos deberán tener un grado farmacéutico. El ácido 6-APA puede ser obtenido por vía enzimática (penicilinacilasa) o química. El medio de un cultivo típico alimentado puede variar dependiendo de la cepa, y generalmente consiste en: Líquido de maceración de maíz (4-5% peso seco). Una fuente de Nitrógeno adicional, harina de soja, extracto de levadura o suero. Una fuente de carbono, lactosa. Varios tampones El pH se mantiene constante a 6,5. El ácido fenilacético o el fenoxiacético se alimentan continuamente como precursores (0,5- 0,8% del total). Los procesos con alimentación de glucosa o melazas también tienen éxito. En estos casos las velocidades de alimentación son de 1.0-2.5 kg/m3 h, con una concentración de glucosa de 500 kg/m3 . Aproximadamente el 65% de la fuente de carbono metabolizada se utiliza para el mantenimiento energético, el 25% para el crecimiento y sólo el 10% para la producción de penicilina. Se está llevando a cabo una intensa investigación para producir penicilina con células inmovilizadas. En un estudio a escala de laboratorio se demostró la ventaja de este enfoque sobre el uso de sistemas discontinuos alimentados, pero esta técnica no ha sido introducida todavía a nivel comercial. La penicilina es excretada al medio y menos del 1% permanece unida al micelio. Después de la separación del micelio, la recuperación del producto se lleva a cabo por medio de dos etapas de extracción continua en contracorriente del caldo de fermentación con acetato de amilo o de butilo a 0-3°C y pH: 2,5-3,0. El rendimiento es de alrededor del 90%.
- 4. Universidad Autónoma del Estado de México Facultad de Química UA: Reactores Biológicos Producción de penicilina Nolasco Terrón Eder Yair Grupo 85 IQ Bibliografía http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema15MI.html http://www.biologia.edu.ar/microind/producci%C3%B3n_de_penicilina.htm http://www1.us.es/pautadatos/publico/asignaturas/40397/17564/BIOTEC_07- 08_TEMA%2010.pdf http://blogs.creamoselfuturo.com/bio-tecnologia/2011/03/25/procesos-industriales-de- produccion-de-penicilinas-semisinteticas/ http://www.uam.es/departamentos/medicina/farmacologia/especifica/F_General/FG_T62.pdf http://www.ugr.es/~iquimica/PROYECTO_FIN_DE_CARRERA/lista_proyectos/p192.htm