bioprocesos 1

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


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


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)


Selección del microorganismo productor (célula)

Tipo

Criterios

Metabolismo

Tipo producto

SELECCIÓN MICROORGANISMO INFORMACIÓN NECESARIA

Sustratos Célula

(Metabolismo)

Calor

Productos químicos

Biomasa (células)


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



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.



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

bioprocesos 1

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