Producción Industrial de Antibióticos
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Antibióticos
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Antibiótico:Son productos del metabolismo microbiano que son capaces de matar o inhibir el crecimiento de otros microorganismos a bajas concentraciones Son de vital importancia para el
tratamiento de enfermedades infecciosas.
Son metabolitos secundarios.
La mayoría de los antibióticos son producidos por hongos filamentosos o bacterias del grupo actinomicetos.
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Descripción
Anti : En contraBiotikos: Dado a la vida
Sustancias medicinales: poder para destruir o detener el crecimiento
sustancia química producida por un ser vivo o derivada sintética de él.
- Es bacteriostático: impide el crecimiento de l gérmenes- Bactericida: destruye los gérmenes .
organismos
infecciosos
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Alexander Fleming, descubre la penicilina.
1928
S. XX
1939
1940
1944
Louis Pasteur descubrió algunas bacterias saprofíticas.
René Bubos aisló la tirotricina, el primer antibiótico utilizado en enfermedades humanas
Florey y Chain utilizan por primera vez la penicilina en humanos.
Selmam Waksman, descubre junto a sus colaboradores, la eritromicina
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Mecanismos de acción
- inhibición de la síntesis de la pared celular - inhibición de la síntesis de proteínas- inhibición del metabolismo bacteriano- inhibición de la actividad o síntesis del ácido nucleico- alteraciones en la permeabilidad de la membrana celular
Mecanismos
de resistencia
- Inactivación del compuesto- Activación o sobreproducción del - - blanco antibacteriano - Disminución de la permeabilidad de la célula al agente- Eliminación activa del compuesto del interior de la célula
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Local: (sobre la piel, ojos,
etc.)
Oral: tabletas o caramelos
Parenteral: subcutánea , itramuscular,
etc.
Administración
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Producción No. de antibióticos
Fermentación 123Semisentéticos 50Sintéticos 3 Cloranfenicol Fosfomicina Pirrolnitrina
Grupo taxonómico No. De antibióticos
Bacterias 950 (14%)Actiomicetos 4600 (64%)Hongos 1600 (22%)
Búsqueda de nuevos antibióticos
Mejores antibióticos
• Químicos• Genéticos (mutasíntesis,
fusión de protoplatos, ingeniería genética)
Antibióticos con estructuras básicas nuevas
• Screening en nuevos grupos de microorganismos y utilizando nuevos procedimientos de prueba.
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β-Lactámicos
Hoy en día, los β-lactámicos, especialmente penicilinas y Cephalosporinas, representan a nivel mundial ventas de US$ 15 billones ~ el 65% del mercado mundial de antibióticos.
Mejoras en la productividad a partir de: Penicillium chrysogenum Acremonium
chrysogenum Cephacremonium
alosporium
• 40-50 g/L de penicilina y 20-25 g /L para cefalosporina.
• rendimientos de recuperación de la penicilina G o penicilina V ahora son> 90%.
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La forma tradicional por la que se descubren nuevos antibióticos consiste en el rastro o screening.
Se aísla de la naturaleza en cultivo axénico.
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Producción de Penicilina
Penicillium notatum
Sir Alexander Fleming, 1952
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Descrita por Fleming en 1929Aislada por Florey y Chain en 1940Primer ensayo clínico en 1941Producidas por muchos hongos: Penicillium y AspergillusBaja toxicidad (0,5-2% de pacientes desarrollan alergias)Inhibidores específicos de la síntesis de peptidoglicano
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La penicilina es un ácido, y como tal dalugar a la formación de sales solubles, ypoco solubles.
a) Solubles: Combinadas con sodio ypotasio, son de acción rápida.
b) Poco solubles: Combinadas con procaína o benzatina. Actúan en forma lenta.
La penicilina, al estado seco, inclusive, se deteriora muy rápidamente, debido a sualto poder higroscópico. Las soluciones,una vez preparadas, pierden actividad rápidamente.
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La producción de penicilina por la cepa aislada por Fleming era de 2 u.i./ml; los procesos actuales producen 85.000 u.i./ml.
Los primeros procesos para la producción de penicilina
implicaban el crecimiento de Penicillium notatum sobre la superficie de un medio líquido (Czapek-Dox-glucosa).
El período de incubación era usualmente de 6-12 días y posteriormente la penicilina se extraía con solventes previa separación del micelio.
Foto original tomada por Fleming Foto actual
El hongo Penicillium notatum impide el crecimiento de Staphylococcus aureus...
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las diferentes variedades de antibióticos son el resultado de reacciones bioquímicasnaturales en el microorganismo, así como modificaciones químicas artificiales
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Producción de Penicilina
5x10-3 esporas/ mL
Evitar la formación de agregados
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Proceso fermentativo
Medio definido
Medio complejo
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Condiciones de operación
Fermentación sumergida en tanques de 40.000 a 200.000 LVelocidad de aireación: 0,5-1,0 vvmAgitación: impulsores tipo turbina (120-150 rpm)Temperatura óptima: 25-27 °CpH: 6,5
Alimentación continua del fermentador con :
Rendimiento:
65% Mantenimiento energético25% Crecimiento10% Penicilina
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• Alimentación asépticamente en acero inoxidable en reactores de tanque de 30,000-100,000 galones de capacidad.
• Tiempo aproximado de 120 a 200 h.
• Los altos niveles de oxígeno disuelto son críticas, especialmente en el crecimiento.
• Alrededor del 65% del carbono se metaboliza para mantenimiento celular, 20-25% para el crecimiento y 10-12% en la producción de penicilina.
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Actualmente la extracción con solventes es la base para la separación y purificación de la penicilina.
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Separación del micelio
La Penicilina es excretada al medio y menos del 1% permanece unida al micelio
El filtrado rico en penicilina es luego enfriado en un intercambiador de calor a 0 a - 4 °C con el objeto de disminuir la degradación enzimática y química durante las etapas de extracción posteriores.
Recuperación del Penicillium Chrysogenum esporulado y liofilizado. Esta etapa es importante, ya que de ella depende el compactamiento o no del micelio: si el micelio es compacto, disminuyen los rendimientos en la fase de producción.
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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.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.
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.
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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 0-3oC y pH: 2,5-3,0
Penicilina + Acetato de Butilo(0-3º °C)pH: 2,5-3,0
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/v, en el solvente), realizándose la extracción y concentración en extractores centrífugos.
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Después de la extracción se procede a la mezcla de la penicilina en una solución tampón de fosfato a pH 7
Precipitación fraccionada con una sal en forma sólida (ácido carboxílico alifático, sales alcalinas y de potasio )
Precursores
Penicilina
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Cristalización y Precipitación
Los valores críticos:
• Concentraciones Na+ y K+
• Temperatura• Concentración de
penicilina • pH
Estos cristales son lavados y presecados con un solvente volátil que también separa impurezas coloreadas.
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.
El secado definitivo se puede realizar con aire caliente, vacío o calor radiante.
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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. Cada año se detectan aproximadamente 300 nuevas sustancias con actividad antibiótica, de las que el 30-35% son componentes secundarios de las fermentaciones de antibióticos conocidos.
se necesitan alrededor de 8-10 años para desarrollar un nuevo antibiótico con un costo medio de 10x106 - 20x106 dólares (6 – 12x106 €).
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Referencias
Savidge TA (1984) Enzymatic conversion used in the production of penicillins and cephalosporins. In: Vandamme E (ed) Biotechnology of industrial antibiotics. Dekker, New York, pp 191–22Flores, & A. (2008). Penicilina. Recuperado el 20 de septiembre de 2012, de http://www.biologia.edu.ar/microind/producci%C3%B3n_de_penicilina.htmStrohl WR (1999) Secondary metabolites; antibiotics. In: Flickinger MC, Drew SW (eds) Encyclopedia of bioprocess technology: fermentation, biocatalysis and bioseparations, vol 5. Wiley, New York, pp 2348–2365
Co, M. &. (1975). Patente nº 443-458. E.U.
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