Diseño de procesos químicos y bioquímicos María Eugenia Calderón
BIOPROCESOS – ELEMENTOS PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE PROCESOS
Camino de reacción vs bioproceso
Calor Sustratos
Célula (Metabolismo)
Productos químicos
Biomasa (células)
Adaptado de Biochemical Engineering. Blanch. H. p. 164
DISEÑO DE PROCESOS… Sistema de control.
Intercambio energético, red Subsistemas de separación Esterilización
Definición de flujos, reciclos. Definición de reactores Entrada y salida proceso
CAMINO DE REACCIÓN
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 tiempo.
puede modificarse a través del
– 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
Manejo de un “ser vivo” Agitación, aireación Condiciones de ESTERILIDAD Separación y purificación (cantidades) Control de proceso
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 Definición de condiciones de cultivo
Evaluación en cambio de escala
Nivel de expresión del producto deseado Estabilidad de la cepa Sustrato (nutrientes, oxígeno concentraciones) Temperatura, pH, agitación
Escala pequeña (erlenmeyer) Cinética (velocidad crecimiento y producción)
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
Recuperación de producto
Recuperación a escala laboratorio vs nivel industrial
100-1000 litros
Etapas generales del bioproceso PREPARACIÓN DEL INÓCULO
PREPARACIÓN DEL MEDIO DE CULTIVO ESTERILIZACIÓN
INOCULACIÓN PRODUCCIÓN EN BIORREACTOR Intracelular?
SEPARACIÓN (SÓLIDO- LÍQUIDO)
RUPTURA CELULAR
SEPARACIÓN DE CÉLULA (RESTOS) RECUPERACIÓN Y PURIFICACIÓN
Elementos de estudio de bioproceso REACCIÓN CONTROL, AIREACIÓN, AGITACIÓN BIOPROCESO
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.
Sustrato
Productos
Calor
Condiciones del medio Multicomponente Reacciones en solución pH y T variables Cambio en las propiedades reológicas Varias fases Distribución no uniforme en el espacio.
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).
variedad de productos
En un medio de crecimiento, se produce (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 secundarios (no asociados directamente con el crecimiento) .
Los productos pueden excretarse (de la célula) y liberados al medio acumularse intracelularmente.
o
o
Biomasa - sustrato Masa Oxígeno consumido
Microorganismo
Sutrato
Tiempo
Aspectos generales en procesos de crecimiento celular
Una forma de evaluar los sistemas es a través del rendimiento de biomasa
Yx s
X S
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.
Aspectos generales en procesos de crecimiento celular - productos
Otra forma de evaluar los sistemas es a través del rendimiento de productos.
YP P es el producto
s
P S
S el consumo de sustrato las unidades se derivan de la forma de medición del producto y del sustrato
Camino de reacción, cinética y bioproceso Biomasa, fases de crecimiento celular (cultivo discontinuo) Fase estac ionaria
Log X
Fase dec rec iente Fase de muerte
Fase exponenc ial
Fase de latenc ia
Tiempo
Cinética del crecimiento celular
Durante la fase de crecimiento exponencial y decreciente: 𝑟𝑥 = 𝜇𝑥 rx es la velocidad de producción de biomasa (kg/m3s)
x es la concentración de células viables (kg/m3) es la velocidad de crecimiento.
ln 𝑥 = ln 𝑥𝑜 + 𝜇𝑡 lnx
t
Fase
Cinética del crecimiento celular 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.
Efecto de la concentración de sustrato
Cinética del crecimiento celular
– Sustrato limitante del crecimiento – Cinética de Monod
𝜇𝑚𝑎𝑥 𝑆 = 𝐾𝑠 + 𝑆
max: velocidad específica máxima de crecimiento Ks: constante del sustrato S concentración del sustrato limitante
max
max/2
Ks
S
Biomasa - productos (cultivo discontinuo,)
Fase estac ionaria
Log X
Fase dec rec iente Fase de muerte
Fase exponenc ial
Fase de latenc ia
Tiempo
Cinética de formación de product
Producto asociado al metabolismo energético: – Siendo:
𝑟𝑝 = (𝑌𝑝𝑥 + 𝑚𝑝 )𝑥
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.
Camino de reacción vs bioproceso
Medio de cultivo (incluye sustrato)
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.
Requerimientos nutricionales H2O, fuente de energía (fotótrofos, quimiótrofos), carbono (autótrofos, CO2, heterótrofos), nitrógeno, vitaminas, sales (P, K, Fe, Mn, Ca..)..
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 Metabolismo
Tipo
Criterios
Selección del microorganismo productor (célula)
Tipo producto
Calor Sustratos
Célula (Metabolismo)
Productos químicos
Biomasa (células)
Adaptado de Biochemical Engineering. Blanch. H. p. 164
SELECCIÓN MICROORGANISMO INFORMACIÓN NECESARIA Conocimiento del metabolismo y cinética de crecimiento y de producción .
Calor Sustratos
Célula (Metabolismo)
Productos químicos
Biomasa (células) Adaptado de Biochemical Engineering. Blanch. H. p. 164
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 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 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
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.
BIORREACCIÓN
TÉCNICA DE FERMENTACIÓN ESTRATEGIAS DE ALIMENTACIÓN , MEZCLA, AGITACIÓN, AIREACIÓN, SELECCIÓN DEL BIORREACTOR, CONTROL
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
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
MEZCLA, AGITACIÓN, AIREACIÓN, SELECCIÓN DEL BIORREACTOR CARACTERÍSTICA A DEFINIR
Mezcla
Transmisión de calor
FACTORES ASOCIADOS
Viscosidad del caldo de cultivo
CONSIDERACIONES 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
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
Estrategias de alimentación, retiro de
Tipo de producto Metabolismo, inhibición
Especie microorganismo y fase crecimiento Fuente de carbono. Necesidad de difusores, coalescencia (sales) Formación espuma Etapas en la producción, Formas de operación, Alimentación Separación in situ
