Bioprocessos: características, tipos, vantagens e etapas - Ciência - 2023

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UMA bioprocesso É uma metodologia específica que utiliza células vivas, ou também outros componentes das mesmas (enzimas, organelas, entre outros), para alcançar a obtenção de um produto desejado para a indústria ou para o benefício do ser humano. O bioprocesso permite a obtenção de produtos já conhecidos, em óptimas condições ambientais, com uma qualidade superior à forma tradicional de os gerar.

Da mesma forma, os bioprocessos permitem a obtenção de organismos geneticamente modificados que podem ser utilizados para melhorar a eficiência de processos específicos (enzimas ou proteínas para uso em tratamentos médicos, como a insulina) ou ser consumidos diretamente pelo ser humano. humano.

A sociedade e a tecnologia podem usar bioprocessos em diferentes áreas para levar a técnicas novas e melhores. É aplicável a diferentes áreas como a fabricação de alimentos, induzindo melhorias nestes, criando medicamentos, controlando a poluição de diferentes tipos e também controlando o aquecimento global.

Atualmente, os diversos bioprocessos do setor têm um impacto positivo e milhões de dólares em investimentos têm sido feitos para promover seu crescimento.

Caracteristicas

Nas ciências da biotecnologia, um bioprocesso É um processo que utiliza uma determinada entidade biológica que gera como produto alguma substância de certo valor agregado.

Ou seja, a utilização de uma célula, microrganismo ou porção celular gera um produto desejado pelo pesquisador, que pode ter aplicações em alguma área.

Além disso, há a engenharia de bioprocessamento, que busca projetar e desenvolver equipamentos para a fabricação dos mais diversos produtos, relacionados à agricultura, geração de alimentos e medicamentos, criação de produtos químicos, entre outros, a partir de materiais biológicos.

Graças à existência da engenharia de bioprocessos, a biotecnologia pode se traduzir em benefícios para a sociedade.

Objetivos de bioprocessos

Biólogos e engenheiros que participam do desenvolvimento de bioprocessos buscam promover a implantação dessa tecnologia, uma vez que permite:

-Por meio de bioprocessos, produtos químicos de valor significativo podem ser gerados. No entanto, as quantidades geralmente produzidas são um tanto pequenas.

-Os bioprocessos permitem a síntese ou modificação de produtos já obtidos pela via tradicional utilizando a atividade de microrganismos previamente isolados. Estes podem ser aminoácidos ou outros materiais orgânicos, alimentos, entre outros.

-Transformação de substâncias em volumes consideráveis, como álcoois. Esses procedimentos geralmente envolvem substâncias de pouco valor.

-Através da utilização de organismos ou partes deles, resíduos e resíduos tóxicos podem ser degradados para transformá-los em substâncias que podem ser facilmente recicladas. Esses processos também são relevantes na indústria de mineração, com a concentração de metais e a exploração de minas virgens.

Vantagens e desvantagens da aplicação de bioprocessos

-Vantagem

A existência de bioprocessos oferece uma série de vantagens marcantes, incluindo economia de energia para o processamento de substâncias, conforme segue:

Condições amigáveis para trabalhadores

A maioria dos bioprocessos usa enzimas, que são catalisadores de natureza proteica. Eles trabalham a uma temperatura, nível de acidez e pressão semelhantes aos que os organismos vivos resistem, por isso os processos ocorrem em condições "amigáveis".

Em contraste, com as temperaturas e pressões extremas nas quais funcionam os catalisadores químicos usados nos processos tradicionais. Além de economizar energia, trabalhar em condições favoráveis ao ser humano torna o procedimento mais seguro e facilita o processo.

Outra consequência desse fato é a redução do impacto ambiental, uma vez que os produtos das reações enzimáticas não são resíduos tóxicos. Em contraste com os resíduos produzidos por metodologias padrão.

Os complexos de manufatura são menores, mais simples e bastante flexíveis, portanto, não há necessidade de um alto investimento de capital.

-Desvantagens

Embora os bioprocessos tenham muitas vantagens, ainda existem pontos fracos dentro das metodologias aplicadas, tais como:

Contaminação

Uma das mais importantes é uma consequência intrínseca de trabalhar com sistemas biológicos: a suscetibilidade à contaminação. Por este motivo, deve ser trabalhado em condições assépticas muito controladas.

No caso de contaminação das lavouras, os microrganismos, os catalisadores ou os produtos obtidos podem ser destruídos ou perder sua funcionalidade, causando consideráveis prejuízos à indústria.

Gerar safras em grande escala

Outro problema está relacionado à manipulação dos organismos de trabalho. Geralmente, os laboratórios de genética e biologia molecular trabalham com microorganismos em pequena escala, onde seu cultivo e ótimo desenvolvimento são mais fáceis.

No entanto, extrapolar o processo para o cultivo em massa de microrganismos apresenta uma série de obstáculos.

Metodologicamente falando, a produção em grande escala de microrganismos é complicada e, se não for feita da maneira certa, pode levar à instabilidade genética do sistema e à heterogeneidade dos organismos em crescimento.

Os produtores buscam ter uma cultura homogênea para maximizar a produção da substância em questão. No entanto, controlar a variabilidade que encontramos em todos os sistemas biológicos é um problema de grande escala.

Em conclusão, a produção de microrganismos para uso industrial não se limita a aumentar a produção realizada em laboratório, uma vez que esta mudança de escala apresenta uma série de inconvenientes.

Tipos

O uso de microrganismos ou outras entidades biológicas para a produção de substâncias de interesse humano é muito variado. Na produção, os compostos residuais do microrganismo podem ser isolados para purificação e uso.

Da mesma forma, o organismo pode ser modificado pela aplicação de ferramentas de engenharia genética para direcionar a produção. Esta metodologia abre um leque de possibilidades de produtos que podem ser obtidos.

Em outros casos, pode ser o organismo geneticamente modificado (e não o que pode ser produzido com ele) que interessa.

Estágios de um bioprocesso

Como o termo "bioprocesso" engloba uma série de técnicas muito heterogênea e diversa, é difícil abranger seus estágios.

-Estágios para produzir insulina

Se você estiver trabalhando com organismos modificados em laboratório, a primeira etapa é a modificação. Para descrever uma metodologia específica, descreveremos a fabricação de um DNA recombinante típico de um produto como a insulina, o hormônio do crescimento ou qualquer outro produto comum.

Manipulação genética

Para colocar o produto no mercado, o organismo hospedeiro deve ser geneticamente manipulado. Neste caso, o organismo geralmente é Escherichia coli e o DNA clonado será DNA animal. Nesse contexto, DNA "clonado" não significa que queremos clonar um organismo inteiro, ele é simplesmente o fragmento do gene de interesse.

Se quisermos produzir insulina, devemos identificar o segmento de DNA que contém as informações necessárias para a produção dessa proteína.

Após a identificação, o segmento de interesse é cortado e inserido na bactéria E. coli. Ou seja, a bactéria funciona como uma pequena fábrica de produção, e o pesquisador lhe dá as "instruções" inserindo o gene.

Essa é a etapa da engenharia genética, que é realizada em pequena escala e por um biólogo molecular ou bioquímico especializado. Nessa etapa, são necessários equipamentos básicos de laboratório, como micropipetas, microcentrífugas, enzimas de restrição e equipamentos para confecção de géis de eletroforese.

Para entender o bioprocesso, não é necessário entender todos os detalhes que a clonagem implica, o importante é entender que os níveis de expressão do produto desejado devem ser ótimos e a estabilidade do produto também deve ser adequada.

Quantificar

Após o processo de clonagem, a próxima etapa é medir o crescimento e as características das células recombinantes da etapa anterior. Para fazer isso, você deve ter habilidades em microbiologia e cinética.

Deve-se levar em consideração que todas as variáveis ambientais como temperatura, composição do meio e pH são ótimas, para garantir a máxima produção. Nesta etapa, alguns parâmetros como taxa de crescimento celular, produtividade específica e o produto são quantificados.

Aumento de escala

Após a padronização da metodologia de produção da substância desejada, a escala de produção é aumentada, e 1 ou 2 litros da cultura são preparados em um biorreator.

Nesse caso, as condições de temperatura e pH devem continuar a ser mantidas. Atenção especial deve ser dada à concentração de oxigênio exigida pela cultura.

Posteriormente, os pesquisadores estão aumentando cada vez mais a escala de produção, chegando a até 1.000 litros (a quantidade também depende do produto desejado).

-Estágios de fermentação

Como mencionamos, os bioprocessos são muito amplos e nem todos envolvem as etapas descritas na seção anterior. Por exemplo, a fermentação no exemplo concreto e clássico de um bioprocesso. Para isso, são utilizados microorganismos, como fungos e bactérias.

Os microrganismos crescem em um meio com carboidratos que usarão para seu crescimento. Desta forma, os resíduos que produzem são aqueles que possuem valor industrial. Entre estes temos álcool, ácido lático, entre outros.

Uma vez que a substância de interesse é produzida pelo microrganismo, ela é concentrada e purificada. Alimentos infinitos (pão, iogurte) e bebidas (cervejas, vinhos, entre outros) valiosos para o consumo humano são feitos a partir desse bioprocesso.

Referências

Cragnolini, A. (1987).Questões de política científica e tecnológica: materiais e sessões do segundo Seminário Ibero-americano de Política Científica e Tecnológica Jorge Sabato, Madrid, 2 a 6 de junho de 1986. Editorial CSIC-CSIC Press.
Duque, J. P. (2010).Biotecnologia. Netbiblo.
Doran, P. M. (1995).Princípios de engenharia de bioprocessos. Elsevier.
Conselho Nacional de Pesquisa. (1992).Colocando a biotecnologia para funcionar: engenharia de bioprocessos. National Academies Press.
Najafpour, G. (2015).Engenharia bioquímica e biotecnologia. Elsevier.