Post on 02-Jan-2016
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BIOPROCESOS – ELEMENTOS PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE PROCESOS
Diseño de procesos químicos y bioquímicos
María Eugenia Calderón
Camino de reacción vs bioproceso
Sustratos Célula
(Metabolismo)
Calor
Productos químicos
Biomasa (células)
Adaptado de Biochemical Engineering. Blanch. H. p. 164
DISEÑO DE PROCESOS…
Sistema de control.
Intercambio energético, red
Subsistemas de separación
Definición de flujos, reciclos.
Definición de reactores
Entrada y salida proceso
CAMINO DE REACCIÓN
Esterilización
Bioproceso - Aspectos generales
Procesos generalmente lentos
– Autocatalíticos.
– Actividad de biocatalizadores baja en comparación con procesos químicos
Alta dependencia de condiciones ambientales.
– Pueden presentar problemas de inhibición por producto o sustrato.
– La naturaleza y actividad del biocatalizador puede modificarse a través del tiempo.
– Producción está en estrecha relación con las condiciones.
Entalpías de reacción relativamente bajas.
Temperatura y presión de operación moderadas.
Bioprocesos - Aspectos generales
Objetivos durante la fermentación:
Máximo rendimiento
Máxima productividad
Producto en concentración elevada
Limitaciones:
Operación discontinua (en muchos casos).
Inhibición (producto o sustrato): estrategias de alimentación o retiro.
Concentración celular: recirculación, inmovilización.
Transferencia de masa: agitación, dispersión de gas.
Procesos vs bioprocesos Consideraciones preliminares
Manejo de un “ser vivo” Bacterias, hongos, levaduras, algas, virus
Condiciones de ESTERILIDAD
Separación y purificación (cantidades)
Control de proceso
Manejo de un “ser vivo” Agitación, aireación
Etapas generales del diseño de bioproceso
Selección (modificación ) del microorganismo
Cultivo en pequeña escala Erlenmeyer
Cultivo en biorreactor a escala de prueba
Cultivo a escala piloto
Condiciones operación escala industrial
Recuperación y purificación de productos
Elementos del diseño de bioprocesos
Selección (modificación) del microorganismo
Nivel de expresión del producto deseado Estabilidad de la cepa
Definición de condiciones de cultivo
Sustrato (nutrientes, oxígeno concentraciones) Temperatura, pH, agitación
Escala pequeña (erlenmeyer) Cinética (velocidad crecimiento y producción)
Evaluación en cambio de escala
Manejo de variables en cambio escala Efectos de la agitación Continuo vs discontinuo
Variables escalado y viabilidad 1 a 2 litros
Control variables
Biorreactor a escala piloto
Efectos del cambio de escala en productividad 100-1000 litros
Recuperación de producto
Recuperación a escala laboratorio vs nivel industrial
Etapas generales del bioproceso
PREPARACIÓN DEL INÓCULO PREPARACIÓN DEL MEDIO DE CULTIVO
ESTERILIZACIÓN
INOCULACIÓN
PRODUCCIÓN EN BIORREACTOR
SEPARACIÓN (SÓLIDO- LÍQUIDO)
SEPARACIÓN DE CÉLULA (RESTOS)
RECUPERACIÓN Y PURIFICACIÓN
RUPTURA CELULAR
Intracelular?
Elementos de estudio de bioproceso
BIOPROCESO
REACCIÓN CONTROL, AIREACIÓN,
AGITACIÓN
SEPARACIÓN -PURIFICACIÓN
ESTERILIDAD
“Reacción” Consideraciones sobre variables en procesos de crecimiento celular
Población de células Heterogeneidad entre células Reacciones múltiples, complejas. Variedad y pluralidad de componentes Mecanismos de control interno propios. Variabilidad genética Adaptabilidad.
Condiciones del medio Multicomponente Reacciones en solución pH y T variables Cambio en las propiedades reológicas Varias fases Distribución no uniforme en el espacio.
Productos
Sustrato
Calor
Adaptado de Ingeniería Bioquímica. Casasblancas, G. p. 84
Camino de reacción vs bioproceso
Implica el consumo de sustratos (suministro de la energía y nutrientes necesarios para la síntesis del material celular y productos del metabolismo).
En un medio de crecimiento, se produce variedad de productos (y se genera calor y biomasa)
En algunos casos es de interés la producción de biomasa
Los productos de interés pueden ser los metabolitos primarios o secundarios (no asociados directamente con el crecimiento) .
Los productos pueden excretarse (de la célula) y liberados al medio o acumularse intracelularmente.
Biomasa - sustrato
Tiempo
Masa
Microorganismo
Oxígeno consumido
Sutrato
Aspectos generales en procesos de crecimiento celular
Una forma de evaluar los sistemas es a través del rendimiento de biomasa
X es el incremento en la masa celular
S el consumo de sustrato
las unidades se derivan de la forma de medición de la biomasa y del sustrato.
S
XY
s
x
Aspectos generales en procesos de crecimiento celular - productos
Otra forma de evaluar los sistemas es a través del rendimiento de productos.
P es el producto
S el consumo de sustrato
las unidades se derivan de la forma de medición del producto y del sustrato
S
PY
s
P
Camino de reacción, cinética y bioproceso Biomasa, fases de crecimiento celular
(cultivo discontinuo)
Tiempo
Log
X
Fase
estacionaria
Fase de latencia
Fase
exponencial
Fase de
muerte
Fase decreciente
Cinética del crecimiento celular Durante la fase de crecimiento exponencial y decreciente:
rx es la velocidad de producción de biomasa (kg/m3s)
x es la concentración de células viables (kg/m3)
es la velocidad de crecimiento.
𝑟𝑥 = 𝜇𝑥
ln 𝑥 = ln 𝑥𝑜 + 𝜇𝑡
lnx
t
Cinética del crecimiento celular Fase Descripción Velocidad específica
Adaptación Adaptación celular al nuevo ambiente Poco crecimiento
0
Aceleración Comienza el crecimiento max
Crecimiento El crecimiento alcanza velocidad máxima max
Desaceleración El crecimiento se hace más lento por agotamiento del sustrato o por formación de productos inhibidores
max
Estacionaria Cesa el crecimiento 0
Muerte Las células pierden viabilidad 0
es la velocidad de crecimiento.
Cinética del crecimiento celular Efecto de la concentración de sustrato
– Sustrato limitante del crecimiento
– Cinética de Monod
max: velocidad específica máxima de crecimiento
Ks: constante del sustrato
S concentración del sustrato limitante
=𝜇𝑚𝑎𝑥 𝑆
𝐾𝑠 + 𝑆
S
max
max/2
Ks
Biomasa - productos (cultivo discontinuo,)
Tiempo
Log
X
Fase
estacionaria
Fase de latencia
Fase
exponencial
Fase de
muerte
Fase decreciente
Cinética de formación de producto Producto asociado al metabolismo energético:
– Siendo:
rp velocidad volumétrica de formación de producto,
velocidad específica de formación biomasa (=rx / x , rx es la velocidad volumétrica de formación de biomasa, x concentración biomasa)
YPX rendimiento de producto a partir de biomasa
mp (kg prod/kg biomasa s) velocidad específica de formación de producto debido al mantenimiento celular
x la concentración de biomasa
Producto no asociado al metabolismo energético: en algunos casos es directamente proporcional a la biomasa, en otros es compleja y deben establecerse las ecuaciones empíricas.
𝑟𝑝 = (𝑌𝑝𝑥 + 𝑚𝑝)𝑥
Camino de reacción vs bioproceso
Medio de cultivo (incluye sustrato)
Requerimientos nutricionales H2O, fuente de energía (fotótrofos, quimiótrofos), carbono (autótrofos, CO2, heterótrofos), nitrógeno, vitaminas, sales (P, K, Fe, Mn, Ca..)..
La composición del medio de cultivo influye en el crecimiento, la morfología, fisiología. Para el diseño se emplean técnicas de diseño experimental: crecimiento máximo o producción máxima del metabolito de interés.
Condiciones del medio pH: ajuste y mantenimiento a condiciones del microorganismo que favorecen producción de… T: según sean psicrófilos, mesófilos o termófilos. Disponibilidad de gases: según sean aerobias, facultativas, anaerobias Agitación
Tipos de medio Estado: sólido, semisólidos, líquido (suspendido, inmovilizado). Composición: sintéticos, complejos, enriquecidos, selectivos, diferenciales, mantenimiento.
SELECCIÓN MICROORGANISMO
Sustratos Célula
(Metabolismo)
Calor
Productos químicos
Biomasa (células)
Adaptado de Biochemical Engineering. Blanch. H. p. 164
Selección del microorganismo productor (célula)
Tipo
Criterios
Metabolismo
Tipo producto
SELECCIÓN MICROORGANISMO INFORMACIÓN NECESARIA
Sustratos Célula
(Metabolismo)
Calor
Productos químicos
Biomasa (células)
Adaptado de Biochemical Engineering. Blanch. H. p. 164
Conocimiento del metabolismo y cinética de crecimiento y de producción .
Quimiótrofos, aspectos generales: La energía se obtiene a partir de la oxidación o degradación de sustancias (catabolismo). La fuente de energía actúa como donador de electrones y requiere reacción de oxidación reducción completa para que libere energía (aceptor electrones oxígeno, nitrito, nitrato, sulfato entre otros). Muchos emplean como fuente de energía y carbono monosacáridos, se pueden metabolizar por distintas vías (glucólisis, hexosas monofosfato, etner Doudoroff y fosfocetolasa) para dar origen a precursores (catabolismo) y biosíntesis de unidades estructurales y macromoléculas (anabolismo). Se producen metabolitos secundarios, no asociados con el crecimiento.
Selección microorganismo – medio de cultivo y condiciones Selección del microorganismo
Definición del medio de cultivo y condiciones del biorreactor
Sustrato: Fuentes de energía y otros requerimientos nutricionales; concentraciones Requerimientos de oxígeno y mecanismo de aporte Condiciones de agitación, temperatura, pH Estrategias de alimentación
1. Estabilidad genética de la cepa y de fácil conservación por largos periodos sin pérdida de características.
2. Cepa libre de contaminantes. 3. Su velocidad de crecimiento debería ser alta y llevar a cabo el ciclo fermentativo en
tiempo corto. 4. Alto rendimiento del producto deseado 5. Facilidad de extracción de los productos.
Puede ser obtenido del medio natural por aislamiento
Conocimiento del microorganismo Metabolismo y cinética
BIORREACCIÓN TÉCNICA DE FERMENTACIÓN
ESTRATEGIAS DE ALIMENTACIÓN , MEZCLA, AGITACIÓN, AIREACIÓN, SELECCIÓN DEL BIORREACTOR, CONTROL
Fermentaciones en estado sólido: Viable para el caso de hongos y levaduras, principalmente. Ventajas A) Medios de cultivo simples, generalmente subproductos agrícolas lo que los hace económicos. B) La baja actividad del agua ayuda a evitar contaminaciones. C) La concentración natural del sustrato permite utilizar reactores más pequeños. Desventajas A) Limitada a microorganismos que crecen en bajos contenidos de humedad. B) La extracción del calor metabólico puede ser un problema. C) Dificultad en medición de parámetros de la fermentación. D) Los procesos de transferencia de masa son limitados por la difusión. E) Muchos aspectos ingenieriles como el diseño de reactores y el escalado están muy poco caracterizados. F) El tiempo de fermentación es mayor debido a que generalmente se utilizan microorganismos que presentan bajas velocidades específicas de crecimiento.
Medio suspendido: el sustrato se encuentra diluido o suspendido en una gran cantidad de agua. Ventajas: A) Los tiempos requeridos para el crecimiento y generación de metabolitos es menor. B) Se mejoran los procesos de transferencia de masa y de calor. C) El control de las condiciones de proceso se facilita, entre otros pH, temperatura, disponibilidad de oxígeno, entre otros. D) Facilita la estandarización de procesos y el control de calidad de los productos. Permite el desarrollo de estrategias de producción en cultivo continuo. E) Desde el punto de vista ingenieril, existen avances en relación con las estrategias de diseño de reactores y escalado. Limitaciones: a) Concentración celular b) Manejo del flujo c) Reutilización de las células d) Operación continua e) Posibilidad de daño mecánico delas células
BIORREACCIÓN TÉCNICA DE FERMENTACIÓN
ESTRATEGIAS DE ALIMENTACIÓN , MEZCLA, AGITACIÓN, AIREACIÓN, SELECCIÓN DEL BIORREACTOR, CONTROL
Fermentaciones con cultivo inmovilizado: localización del microorganismo en una región definida del
espacio, manteniendo al mismo tiempo una actividad metabólica y viabilidad deseada. Ventajas: A) Posibilidad de usar de manera continua el microorganismo, queda retenido en el biorreactor; ingreso de sustrato y salida de productos continua. B) Los biorreactores pueden operar con flujos mayores a los correspondientes en cultivos libres. C) Las células se protegen por daños mecánicos producidos por la agitación. D) En operación discontinua, la inmovilización facilita la reutilización de la biomasa. E) Suelen reducirse los efectos de contaminación accidental del proceso.
BIORREACCIÓN TÉCNICA DE FERMENTACIÓN
ESTRATEGIAS DE ALIMENTACIÓN , MEZCLA, AGITACIÓN, AIREACIÓN, SELECCIÓN DEL BIORREACTOR, CONTROL
CARACTERÍSTICA BIOPROCESO
ESTRATEGIAS
Transferencia de masa Agitación (dispersión gas o mecánica), técnica de fermentación.
Inhibición por sustrato Alimentación (lote alimentado) y Mezcla completa.
Inhibición por producto Eliminación del producto en la medida en que se forma
Concentración celular baja: Inmovilización, recirculación.
Tipo de producto vs inhibición, vs comportamiento diáuxico
Técnicas de alimentación Eliminación de productos Mantenimiento pH, T. Etapas en la fermentación
BIORREACCIÓN ESTRATEGIAS DE ALIMENTACIÓN , MEZCLA, AGITACIÓN, AIREACIÓN,
SELECCIÓN DEL BIORREACTOR, CONTROL
CARACTERÍSTICA A DEFINIR FACTORES ASOCIADOS CONSIDERACIONES
Mezcla
Viscosidad del caldo de cultivo
Variación características reológicas en el tiempo. Concentración celular Morfología, crecimiento filamentos, pellets. Flexibilidad (P osmótica) Concentración de sustratos. Concentración productos extracelulares.
Tipo de mezclador Tanques agitados con rodetes. Tanques agitados rodetes, deflectores Aire insuflado. (aeróbicas) Tener en cuenta control espuma
Transmisión de calor
Necesidades de esterilización
Mecanismo de esterilización (vapor de caldera) Filtros
Necesidades de refrigeración
Mantenimiento de temperatura (30-37°C, más general) Retiro QR
Aporte O2
Aerobio vs. anaerobio
Especie microorganismo y fase crecimiento Fuente de carbono. Necesidad de difusores, coalescencia (sales) Formación espuma
Estrategias de alimentación, retiro de productos.
Tipo de producto Metabolismo, inhibición
Etapas en la producción, Formas de operación, Alimentación Separación in situ
BIORREACCIÓN MEZCLA, AGITACIÓN, AIREACIÓN, SELECCIÓN DEL BIORREACTOR