procesos...
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PROCESOS BIOTECNOLOGICOSPROCESOS BIOTECNOLOGICOS IArea Fisicoquímica
(Plan de estudios 2007)
TEORICOS 2011SEGUNDO CUATRIMESTRE
Responsable del dictado: Prof. Asociado G. Picó
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Dictado de la Asignatura:Responsable: Profesor Asociado G. Picó
Prof. Asociada: Dra B. Farruggia y Prof. Adjunta: Dra B. Nerli
Promoción directa de la Asignatura sin examen final
+ Asistencia: clases Teóricas obligatorias, Tareas de Aula y Laboratorios. (ver Cronograma en transparente)
+ Aprobar Tareas de Aula y Laboratorios
+ Aprobar Parcial I y II o sus recuperatorios
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BIBLIOGRAFIA
- Doran, P. Principios de los Bioprocesos. Editorial Acribia (1995)
- A. Pessoa, Beatriz Van Kilikian Purificacao de Productos Biotecnologios
- G. Jagnow , W. David, Biotecnologia Introduccion con experimentos modelos Ed. Acribia
-W. Mc Cabe, J. Smith, P. Harriott Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica 7ma Ed
- Perry's Chemical Engineers' Handbook (7th Edition) - Knovel -
Bibliografia: fotocopias de capítulos de Libros (ver cadaprofesor)Guía de Estudio (en fotoc. de C. de Estudiantes).Apuntes de temas que están poco descriptos en libros
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OBJETIVO GENERAL DE LA ASIGNATURA: Introducir al alumno en el escaladode los Bioprocesos.
OBJETIVOS PARCIALES1) Introducir al alumno en la química de la MACRO ESCALA
aplicada a la obtención de moléculas a partir de procesos biológicos
2‐ Introducir el concepto de Operación Unitaria, su clasificación y los principios fisicoquímicos de las misma con sus ecuaciones de estado
3) Desarrollar criterios de optimización para el escalamiento (scale‐up) de los procesos. Integrar las OPERACIONES UNITARIAS entre si.
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1980 MODIFICACION GENETICA DE MICRO ORGANISMOS OBTENCION DE FUENTES INAGOTABLES DE ENZIMAS Y OTRAS MACROMOLECULAS
BIOPROCESOS
1915 OPERACIONES UNITARIASOPERACIONES UNITARIAS: INGENIERIA QUIMICA OBTENCION DE GRANDES CANTIDADES DE MOLECULAS DE BAJO PESO MOLECULAR
1930‐ 1950 OBTENCION DE GRANDES CANTIDADES DE MACROMOLECULAS Insulina, Proteínas plasmáticas, quimosina, etc.
FISICOQUIMICAAporta las leyes y Ecuaciones de
Estado
Se incorpora la BIOLOGIA a las operaciones unitarias
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PROCESOS BIOTECNOLOGICOS
MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL
(fermentación)
PROCESOS DE SEPARACION
(downstream processing)
Molécula de interés
¿ Cómo se estudian los Procesos Biotecnológicos en cualquier Universidad ?
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FISICOQUIMICA
PROCESOS BIOTECNOLOGICOS
un Ingeniero Químico posee excelentes herramientas para diseñar Operaciones Químicas en macro escala, carece de conocimientos de:
Microbiología, necesarios para entender el metabolismo y desarrollo de microorganismos productores de moléculas lábiles,
Biología Molecular, necesarios para modificar genéticamente microorganismos,
Fisicoquímica de la soluciones de macromoléculas, necesarios para entender los Procesos Químicos donde se deben manipular y estabilizar macromoléculas.
Fisicoquímica de los fenómenos superficiales, necesarios para interpretar el mecanismo mediante el cual se llevan a cabo diferentes Procesos Químicos como cromatografía, adsorción, formación de emulsiones, etc.
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OBTENCION DE UNA SUSTANCIA EN EL LABORATORIO
Masas o volumenes de reactivos muy pequeños: 1 ‐100 ‐1000 mL (g)
Los tiempos no importan (muchas veces son largos o estan fraccionados en días
Recipientes empleados: los clásicos que conocemos de vidrio
No se calculan costos
El producto final tiene una masa de mg o menos
OBTENCION DE UNA SUSTANCIA EN MACRO ESCALA
Masa o volumenes de miles de Kg o L
Los tiempos SI importan
Los ciclos deben durar poco tiempo y son continuos
Los recipientes no son los de laboratorios
Los costos ($) SI importan !!!!
El producto a obtener representa masa de miles de g, Kg
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Escala industrialAparecen dos variables nuevas asociadas a los procesos en escalado:
el tiempo: no puede ser cualquiera, debe estar muy acotado y perfectamentedeterminado, esto esta relacionado con la segunda variable;
el costo del proceso, el cual pasa a ser la variable mas importante de todas, dado la magnitud que adquiere por la extensión del sistema que se esta manejando.
las variables que caracterizan el proceso en el laboratorio (rendimiento, pureza del producto, etc.) no muestran los mismos valores que las obtenidas cuando el proceso se realiza en macro escala.
¿Por qué se producen estas diferencias, si el proceso que se ejecuta es el mismo desde el punto de vista químico?
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¿quehago?
¿ Cómo pasamos del laboratorio a la macro escala ?
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Se pueden emplear diferentes caminos
Fenomenológico: fundamentado en algunos razonamientos teóricos que permite hacer predicciones en rangos o intervalos de operaciones no estudiados experimentalmente.
Método basado en la experiencia (empirismo): recurre al registro de los datos del proceso en la escala existente y una posterior relación matemática de ellos, surgen correlaciones empíricas que permitan escalar el proceso.
No se puede generalizar para diferentes procesos.
Método basado en el principio de similaridad:
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El principio de similaridad
hace referencia a la relación que existe entre el tamaño de los sistemas físicos, siendo un principio básico en el escalamiento de los procesos químicos.
¿Qué similaridades hay?
Fundamento teórico del escalado
Geométrica
Cinética
Dinámica
Térmica
Química
?
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500 L
1 L
V2
V1
V4
V3
F1
F2
F4
F3
a
b
a1
b1
H1
H2
C1
C2
Suponiendo dos mezcladores de 1 L y otro de 1000 L
1000 L
Similaridad geometrica: cuando sus medidas mantienenuna relación constante
aa
cte1
2
=
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Similaridad cinemática:
VV
cte1
2
=
500 L
1 L
V2
V1
V4
V3
F1
F2
F4
F3
a
b
a1
b1
H1
H2
C1
C2
FF
cte1
3
=
Similaridad dinámica:
Similaridad térmica:
HH
cte1
2
=
CC
cte1
2
=Similaridad química:
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Diámetro 1000 veces mayor
¡¡ 100 m !!!
Diámetro 10 cm
h= 12,7 cm
h= 121 cm
Diámetro 100 cm
NO se cumple el principio de similaridad geométrica
Valor de diámetro normal
Similaridad geométrica
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Flujo de Q
Flujo de Q
Similaridad calórica
Volumen total 1 L
1 kcal / L
Calor total 1 kcal
Superficie 477 cm2
H = 2 cal/cm2
Volumen total 1000 L
1 kcal / L
Calor total 1000 kcal
Superficie 45844 cm2
H = 21,8 cal / cm2
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Similaridad dinámica
Relacion de Potencia= =
=
PotenciaVolumen
WL
X PotenciaVolumen
WL
201
1000 200001000
Imposible de obtener
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≠
Hay similaridades geometricas, pero..........
En muchos casos el principio de similaridad no se cumple...............
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≠
Agitador industrial
Agitador de mesa de laboratorio
El mezclado de sustancias ..........
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Gotas distribuidas uniformemente y de diametro constante
Gotas distribuidas no uniformemente y de diametro variable
Fase I Fase II
Las burbujas tienen tendencia a moverse por gravedad ascendiendo por la fase liquida
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≠
Flujo de calor ≈ pocas calorias
ΔT≈ 0
Flujo de calor miles de calorias
ΔT >> 0
El equilibrio térmico entre sistema y medio ambiente se mantiene facilmente El equilibrio térmico entre sistema y medio
ambiente se mantiene mediante sistemas adicionales que facilitan la disipación de calor
La transferencia de calor ..........
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Además de este problema, se deben responder otras cuestiones, tales como: - a producción de desperdicios: ¿como se eliminan ?- el costo del proceso- el manejo de grandes volúmenes o masas de reactivoscalidad y pureza de los reactivos, por los costos no pueden ser de la misma calidad que los empleados en el proceso de laboratorio.
Conclusión los valores de las variables que caracterizan un Proceso Biotecnológico llevado a cabo a escala de laboratorio, no son las mismas que cuando el proceso se realiza en escalado.
≠
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LABORATORIO 1-5 L
El escalado de los procesos: un largo camino
ESCALADO INDUSTRIAL100.000 L
PLANTA PILOTO100 -500 L
El escalado de los procesos: un largo camino
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VENTAJA DE LA PLANTA PILOTO:
- Muestra el rendimiento del proceso en escala intermedia.
- Este ensayo es mas económico, si hay errores o hay que entrenar personal.
- Muestra el comportamiento de las variables al pasar a la escala piloto.
- Permite evaluar los residuos.
- Evalúa el costo de reactivos.
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25Reactor Químico o
Fermentador
Materias Primas o
Reactivos
Productos
Transformación Química
EL CAMINO GENERAL DE UN PROCESO DE OBTENCION DE UNA MOLECULA
Transformación Física
Operaciones Unitarias
Residuos
Producto final
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"... todo proceso químico puede descomponerse en una serie ordenada de pasos, que pueden llamarse operaciones unitarias,
como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación, etc. "
OPÉRACION UNITARIA ¿ QUE ES ?
(OPERACION BASICA)
Concepto introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of Technology.
El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso
determinado."
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trituración
destilación
filtración
Operaciones unitarias que forman un proceso de obtención de una sustancia
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Mosto fermentado
Petroleo
Operacion Unitaria
DESTILACION
Diferentesfracciones de hidrocarburos
ETANOL
Las Operaciones Unitarias son iguales e independiente del proceso y del producto final que se obtenga.
El fundamento científico de una Operación Unitaria es el mismo, independiente del proceso en que se aplique.
Si el objetivo de las OU es obtener una molécula a partir de sustancias químicas tendremos un
PROCESO INDUSTRIAL
Si el objetivo de las OU es obtener una molécula a partir de un ser vivo tendremos un
PROCESO BIOTECNOLOGICO
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EJEMPLO: producción de insulina recombinante
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DIAGRAMAS DE FLUJO
Esquema simple que describe un proceso quimico, detallando cualesson las operaciones unitarias.
EJEMPLO: EXTRACCIÓN DE ACEITE DE POROTO DE SOJA
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En cada operación unitaria se cambian las condiciones de la materia, ya sea:
1. Modificando su masamasa o composición
2. Modificando el nivel y la calidad de la energenergííaa que posee
3. Modificando su cantidad de movimientomovimiento
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presión
Fuerza G J Dx
= −∂ φ∂
φ = G, P, T
Gradiente de Temperatura
Siempre hay una fuerza conductora debido a un gradiente en unavariable fisica
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Clasificación de las OU, según la propiedad que se transfiere
FLUJO CALOR A TRAVES DEL SISTEMA
Cantidad de calor:Dehidratación Evaporación
Congelación Pasteurización
Liofilización Cristalización
Esterilización Secado
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Flujo forzado de materia a tavéz de un medio o barrera
O. U. de TRANSFERENCIA DE MATERIA
Destilación Absorción
Secado Adsorción
Cristalización Liofilización
Osmosis Inversa
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Clasificación de las OU, según la propiedad que se transfiere
Cantidad de movimiento:Sedimentación Filtración
Ultrafiltración Osmosis inversa
Mezcla Centrifugación
Emulsificación
FLUJO FORZADO DE MATERIA A TRAVES DE UN MEDIO O BARRERA
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O. U. DE CAMBIO EN LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO
Sedimentación Filtración
Ultrafiltración Osmosis Inversa
Mezcla Centrifugación
Emulsificación Flotación
Flujo forzado de materia a tavéz de un medio o barrera
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CADA OPERACIÓN UNITARIA TIENE UNA FUERZA IMPULSORA,
LA CUAL PRODUCE LA TRANSFERENCIA
1. Transferencia de masa: DIFUSION:
EL GRADIENTE ES LA CONCENTRACION
Benceno + Acetona
Agua
Benceno
Agua + Acetona
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2. Transferencia de calor: CONDUCCION,
CONVECCION: EL GRADIENTE ES LA TEMPERATURA
FLUJO DE ENERGÍA COMO CALOR
Vapor de disolvente
Disolución concentrada
ALIMENTOCALOR
Vapor de agua
Condensado
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alimento
Liquido clarificado
lodos
3. Transferencia de cantidad de movimiento. ROZAMIENTO:
EL GRADIENTE ES LA VELOCIDAD
Operación básica controlada por la transmisión de movimiento
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1‐ SEPARACIONProcesos industriales
2‐ CONSERVACIONProcesos biológicos
+
CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS SEGUN SU APLICACION
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1. OPERACIONES DE SEPARACIONABSORCIONADSORCIONMICRO FILTRACIONULTRA FILTRACION
EXTRACCION
DESTILACIONOSMOSIS INVERSA
CRISTALIZACIONEVAPORACIONSEDIMENTACIONLIXIVIACIONCENTRIFUGACION
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2. OPERACIONES DE ESTABILIZACION O CONSERVACION
CONGELACION
LIOFILIZACION
CRISTALIZACION
DESHIDRATACIONSECADO
ESTERILIZACIONPASTEURIZACIONESCALDADO
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Operación Unitaria Ley Fisica o Fisicoquímica Ecuación de estado Flotación Ecuacion de Dupre )1(cos −=Δ φγ GLflotaciónG Emulsificación Energía libre de formación de una
emulsión S
WOciónemulsifica STAG Δ−Δ=Δ γ
Sedimentacion Velocidad de sedimentacion: ley de Stokes
particula
aguas
AVol
Cg
Vsρρρ −
=(2
Adsorción Isotermas de adsorción: Langmuir y Freunlich
baCwn
KcnKC
wn =
+= ;
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Cromatografia Isoterma de adsorcion de Langmuir y Freunlich baC
wn
KcnKC
wn =
+= ;
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Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Destilación Equilibrio entre fases: liquido- vapor
-Ley de Raoult xPP o=
Congelación Equilibrio entre fases: sólido- líquido - Propiedades coligativas
mKT c=Δ
Cristalización Equilibrios entre fases: sólido- liquido, solubilidad vs temperatura, pH, fuerza iónica
),,(ln etcTpHfS = S: solubilidad
Desecación Equilibrio entre fases: vapor- solido Isoterma BET ( ) CW
CaCWWa
a
mmW
W )1(11
−+=
−
Osmosis Inversa
Propiedades coligativas cRT=π
Fisicoquímica de los fenomenos de superficie
Fisicoquímica de los cambios de fases
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Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Extracción liquido - líquido
Reparto de un soluto entre dos fases inmiscible
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][][
fase
fase
SS
K =
Lixiviación Reparto de un soluto entre dos fases inmiscibles
2
1
][][
fase
fase
SS
K =
Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Micro filtración Presión Osmótica cRT=π Crioprotección Equilibrio entre fases solida y
liquida: eutécticos
Ultrafiltración
Presión Osmótica cRT=π
Fisicoquímica de los sistemas en equilibrio
Fisicoquímica de las soluciones de macromoléculas
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PRODUCCION DE UNA MOLECULA A PARTIR DE UN MICROORGANISMO O PRODUCTO NATURAL
ERITROPOYETINA MICROBIANA
QUIMOSINA DE LEVADURA O ECHERICHIA COLI
FACTOR IX DE COAGULACION,
HORMONA DEL CRECIMIENTO EN LECHE DE VACAS TRANSGENICAS
LAS OPERACIONES UNITARIAS EN LOS PROCESOS BIOTECNOLOGICOS
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FUENTE BIOLOGICAMOLECULA DE INTERES CONTENIDA EN SISTEMA COMPLEJO
Downstream processingFILTRACION- ABSORCION – EXTRACCION
ADSORCION (CROMATOGRAFIAS) OSMOSIS, ETC.
OPERACIONES UNITARIAS DE AISLAMIENTO Y PURIFICACION
CONCENTRACION
LIOFILIZACION
ADICION DE SOLUTOS
CRISTALIZACION, ETC.
OPERACIONES UNITARIAS
DE ESTABILIZACION DEL PRODUCTO FINAL
PRODUCCION DE LA BIO MOLECULA
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Veamos algunos ejemplos de procesos biotecnológicos
FUENTE BIOLOGICA
LECHE
Donde se produce el proceso biológico
FILTRACION
MICRONIZACÍONGlobulos de grasas uniforme
CENTRIFUGACION
PASTEURIZACION
+ GRASA ($)Leche 3 % grasa
INDUSTRIA LACTEAINDUSTRIA LACTEA
Todos procesos físicos
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OBTENCION DE ETANOLOBTENCION DE ETANOL
FERMENTACION DE AZUCARESFINALIZA CUANDO LA [ETANOL] = 12- 14 % v / v
(Parte química del proceso)
DESTILACION DEL AZEOTROPO
(Parte física del proceso)
Etanol absoluto
(Eliminación del 4 % de agua)
Todosprocesos
físicos