asignatura: biorreactores y bioprocesos estudios

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ASIGNATURA: BIORREACTORES Y BIOPROCESOS

ESTUDIOS: MÁSTER EN BIOINGENIERÍA

CÓDIGO: 80131

TIPO: O SEMESTRE: 1º CRÉDITOS: 4 (4 horas/semana) PROFESOR: Dr. Martí Lecina

PREREQUISITOS: Biología Molecular de la Célula, Biomoléculas: estructura, función y propiedades, Fisiología y Metabolismo Microbiano, Técnicas Experimentales en Biociencias, Laboratorio de Técnicas Bioquímicas. CONOCIMIENTOS PREVIOS: microbiología, metabolismo, tecnología del DNA recombinante y conocimientos básicos de ingeniería química, como balances de masa, fenómenos de transporte o ecuaciones diferenciales. En caso necesario se deberán cursar las asignaturas preparatorias pertinentes. ASIGNATURAS QUE SE HAN DE CURSAR SIMULTANEAMENTE: Ingeniería Genética y Metabólica Avanzada, Bioética, Bioinformática Avanzada, Diseño de Experiencias, Microbiología Industrial, Laboratorio de Tec. Experimentales.

DESCRIPCIÓN ASIGNATURA:

En esta asignatura se describen los conocimientos necesarios para el adecuado diseño de bioprocesos a nivel industrial, dando una relevante atención al diseño del biorreactor y al modo o estrategia de operación, según las distintas aplicaciones en procesos enzimáticos, microbianos y celulares. Los conocimientos teóricos se deberán complementar con las prácticas realizadas en el laboratorio, logrando así una sinergia óptima. Este curso se ha planteado para proporcionar al futuro ingeniero de bioprocesos las herramientas necesarias para definir el tipo de biorreactor y las condiciones de operación más adecuadas para desarrollar un determinado producto en una planta de proceso. Para ello se revisan todos los modelos cinéticos que describen tanto biotransformaciones, como el crecimiento celular. También se repasan las ecuaciones de diseño basadas los balances de materia. En una etapa posterior se aplican los procesos de transferencia de masa y de energía para poder analizar procesos de más complejidad y ser conscientes de las no idealidades del biorreactor. Se pretende concienciar al estudiante de la estrecha interrelación existente entre las distintas propiedades o singularidades del biocatalizador y el proceso de producción. Para ello se estudiarán las soluciones que se adoptan en la operación de los biorreactores según las particularidades de los distintos procesos basados en las distintas familias de biocatalizadores. Se contempla también el estudio de la tecnología PAT (Process Analytical Technology) aplicada en cada uno de los procesos modelo. Finalmente se introducen los conceptos necesarios para el control del biorreactor, así como las técnicas que permiten el escalado del mismo con las repercusiones correspondientes sobre el downstream o proceso de separación. Durante la evolución del curso se discutirán casos prácticos asociados con problemáticas industriales reales y se propondrán ejercicios de simulación de bioprocesos. CONTENIDOS*:


Descripción de las partes que componen un bioproceso. Tipos de biorreactores. Ecuaciones de diseño de biorreactores. Balances de materia. Cinética enzimática y microbiana (modelos de inhibición, constante de desactivación/muerte). Medios de cultivo. Parametrización de bioprocesos y biorreactores (modos de operación, velocidades específicas de consumo y producción y rendimientos). Biorreactores reales. Transferencia de materia (Kla) y energía. Monitorización y control de bioprocesos (variables directas e indirectas). Particularidades de operación de biorreactores según el microrganismo modelo. Scale-up y scale-down. Biorreactores de un solo uso. Diseño básico y análisis de bioprocesos, y eventualmente simulación.

OBJETIVOS ASIGNATURA:

1. Conocer los principales tipos de biorreactores/bioprocesos existentes. [E3]. 2. Proporcionar los conocimientos fundamentales y aplicados básicos para el diseño de

bioprocesos. 3. Proporcionar los conocimientos elementales para el manejo y control de biorreactores

y su simulación. 4. Conocer los fundamentos y metodologías utilizados para el escalado de bioprocesos.

COMPETENCIAS*: BÁSICAS: CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación. CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio. CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones (y los conocimientos y razones últimas que las sustentan) a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades. CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida auto dirigido o autónomo. TRANSVERSALES: T1 - Capacidad de comunicarse eficazmente tanto de forma oral como escrita con interlocutores especializados y públicos no especializados. T2 - Capacidad de utilizar el inglés como idioma de trabajo. T6 - Capacidad para desarrollar habilidades de aprendizaje, necesarias para emprender actividades posteriores, y reconocer la necesidad de formación continuada para su adecuado desarrollo profesional. ESPECÍFICAS: E1 - Capacidad para comprender y aplicar los conocimientos de las disciplinas en biociencias a las aplicaciones biotecnológicas y a la resolución de problemas en contextos multidisciplinares. E2 - Capacidad para comprender y aplicar las metodologías y herramientas biotecnológicas para la investigación, desarrollo y producción de productos y servicios.


TEMARIO:

1. Introducción

1.1. El proceso biotecnológico 1.2. Diseño y simulación de bioprocesos 1.3. Introducción al SuperPro Designer ® 1.4. Biocatalizadores en la industria 1.5. Medios de cultivo 1.6. Tipos de biorreactores 1.7. Ecuaciones de diseño de los biorreactores

2. Cinética procesos enzimáticos 2.1. Modelos de reacción 2.2. Modelos de reacción con inhibición

3. Cinética de los procesos microbiológicos 3.1. Modelos de crecimiento 3.2. Crecimiento estequiométrico, consumos y producciones 3.3. Crecimiento en condiciones de limitación

4. Biorreactores reales 4.1. Operaciones en biorreactores (batch, fed-batch, continuo) 4.2. Transferencia de masa y energía 4.3. Parametrización del proceso 4.4. Scale-up y scale-down.

5. Monitorización y control de biorreactores. 5.1. Variables directas e indirectas. 5.2. Implementación de estrategias de control para la operación de biorreactores

6. Singularidades de los bioprocesos 6.1. Fermentaciones bacterianas 6.2. Fermentaciones con levaduras 6.3. Cultivo celular 6.4. Cultivo microalgas

PRÁCTICAS DE LABORATORIO: Las prácticas relacionadas con esta asignatura se realizarán en las asignaturas “Laboratorio de Técnicas Experimentales” y “Laboratorio de Biotecnologías”.

METODOLOGÍA*:

- Exposición de contenidos mediante presentación o explicación (posiblemente

incluyendo demostraciones) por parte de un profesor. - Resolución de ejercicios, planteamiento/resolución de problemas y exposición/discusión

de casos por parte de un profesor con la participación activa de los estudiantes. - Instrucción realizada por un profesor con el objetivo de revisar, discutir y resolver dudas

sobre los materiales y temas presentados en las sesiones de exposición de conceptos y sesiones de resolución de ejercicios, problemas y casos.

- Presentación oral a un profesor y posiblemente a otros estudiantes por parte de un estudiante. Puede ser un trabajo preparado por el estudiante mediante búsquedas en la bibliografía publicada o un resumen de un trabajo práctico o proyecto acometido por dicho estudiante.

- Trabajo personal del estudiante necesario para adquirir las competencias de cada Materia y asimilar los conocimientos expuestos en las sesiones de exposición de conceptos y sesiones de resolución de ejercicios, problemas y casos, utilizando, cuando sea necesario, el material recomendado de consulta.


- Pruebas orales y / o escritas realizadas durante el periodo lectivo de una asignatura o una vez finalizada la misma. Metodología del curso:

1. Clases teóricas. 2. Discusión y crítica en clase de artículos científicos. 3. Problemas y casos planteados por el profesor, resueltos por el alumno en casa. 4. Evaluación continua, basada en los ejercicios/casos, discusión de artículos y breves

tests online.

EVALUACIÓN*: 1) Exámenes finales.-

Ponderación mínima: 45.0, Ponderación máxima: 55.0 2) Actividades de seguimiento del aprendizaje.-

Ponderación mínima: 15.0, Ponderación máxima: 25.0 3) Trabajos y presentaciones.-

Ponderación mínima: 20.0, Ponderación máxima: 30.0 4) Participación.-

Ponderación mínima: 5.0, Ponderación máxima: 5.0

Para ponderar en la nota final, la nota del Examen Final tiene que ser mínimo de 4.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE RESULTADOS*:

Objetivo 1:

El estudiante debe demostrar que posee conocimientos suficientes sobre las diferentes etapas de un bioproceso.

Objetivo 2:

El estudiante debe demostrar que posee conocimientos suficientes sobre los diferentes tipos de biorreactores.

Objetivo 3:

El estudiante debe demostrar que posee conocimientos suficientes sobre el manejo y control de biorreactores.

Objetivo 4:

El estudiante debe demostrar que posee conocimientos suficientes sobre estrategias y fundamentos en los cuales basar el escalado de procesos.

Objetivo 5:

El estudiante debe demostrar criterio en la selección de bioprocesos aplicados a casos concretos.

BIBLIOGRAFÍA BÁSICA:

M. L. Shuler and F. Kargi, “Bioprocess Engineering: Basic Concepts”, 2nd

ed.,

Prentice-Hall, 2002.

P.M.Doran, “Bioprocess Engineering Principles” Academic Press, 1995

I.J. Dunn, E. Heinzle, J. Ingham, J.E. Prenosil, “Biological Reaction Engineering, Principles, Applications and Modelling with PC Simulation”, 1992, VCH.

K. Schugerl, K.H. Bellgardt (Eds.), “Bioreaction Engineering”, 2000, Springer-Verlag.

E. Heinzle, A. P. Biwer, C. L. Cooney, “Development of Sustainable Bioprocesses: Modeling and Assessment”, 2006, Wiley-VCH.


H.C.Vogel, C.L. Todaro, ”Fermentation and Biochemical Engineering Handbook” 1996, Noyes Publications.

J.E. Bailey, D.F. Ollis, “Biochemical Engineering Fundamentals” 2nd

ed., 1986, McGraw Hill.

Shigeo Katoh, Jun-ichi Horiuchi and Fumitake Yoshida, “Biochemical engineering: a textbook for engineers, chemists and biologists” 2nd Ed., Wiley-VCH, 2015.

BIBLIOGRAFíA o MATERIAL COMPLEMENTARIO:

Apuntes del profesor.

Biotechnology and Bioengineering (revista).

Biochemical Engineering Journal (revista).

Biotechnology Progress (revista).

Industrial & Engineering Chemistry Research (revista). MODIFICACIONES ANTERIORES (Indicar fecha y autor / es, las más recientes primero) 2011, Dr. Xavier Turon ÚLTIMA REVISIÓN (Indicar fecha y autor / es.) Agosto 2016, Dr. Martí Lecina

asignatura: biorreactores y bioprocesos estudios

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