utpl ingenieria quimica 2010 ingenieria bioprocesos

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos

Prof. Domingo Cantero Moreno

CURSO DE INTRODUCCIÓN A LOS BIOPROCESOS (Loja, Ecuador. Junio 2010)

Tánger

Provincia de Cádiz

Tetuán


CAMPUS DE JEREZ Jurídico-Empresarial.

CAMPUS DE ALGECIRAS Tecnológico y C.C. de la Salud.

CAMPUS DE PTO. REAL Científico-Tecnológico

CAMPUS DE CÁDIZ Ciencias Sociológicas y Humanidades.


CENTROS

Aulario "Rio San Pedro"

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C.A.S.E.M.

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Fac. C.C. Educación

Facultad de Ciencias

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Pabellón Polideportivo

Futura E.S. de Ingeniería (E/Proy.)


•  Bioprocesos y rol de los microorganismos

•  Tipos de células de interés

•  Cinética de crecimiento

•  Cinética de producción

•  Medios de cultivo

•  Biorreactores

Índice


Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos

PROCESO

MATERIA PRIMA

PRODUCTO


Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Bioprocesos y rol de los microorganismos

MATERIA PRIMA

PRODUCTO

PRETRATAMIENTO

TRANSFORMACION

RECUPERACION



TRANSFORMACION AGENTE

DE TRANSFORMACION



AGENTES DE

TRANSFORMACION

POCAS

MATERIAS

PRIMAS

GRAN

DIVERSIDAD

PRODUCTOS

Material o

Sustrato

BIOPROCESO

 Utilización directa o indirecta de organismos vivos.  Conducen a la formación de un producto con el máximo de eficiencia, economía y seguridad factible.


PRINCIPALES PRODUCTOS DE FERMENTACIÓN

Acidos orgánicos Alcoholes y solventes Amino ácidos Antibióticos Alimentos fermentados Biofármacos Enzimas Esteroides Insecticidas biológicos

Metano Nucleótidos Polisacáridos Promotores crecimiento Proteínas Vacunas Vitaminas Otros



Agentes biológicos o biocatalizadores

 Cultivo celular

 Extractos de células (animales y vegetales)

 Microorganismos


MICROORGANISMOS

BACTERIAS

LEVADURAS

HONGOS

MICROALGAS

ARQUEAS


Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés

"   Producir sustancia de interés "   Obtener cultivos puros "   Mantener estabilidad genética "   Cultivar a gran escala "   Crecer rápidamente y producir el producto

deseado en corto tiempo. "   Crecer en medio barato "   No ser perjudicial a hombre, planta, ni animal. "   Ser fácilmente extraíble del medio de cultivo.




microalga

Escherichia coli



Saccharomyces cerevisiae



Rizhopus s.p



Penicillium chrysogenum Prof. Domingo Cantero Moreno


Sulfolobus metallicus (Archea) Prof. Domingo Cantero Moreno


Microorganismos en la naturaleza

Habitats

Mar profundo

Hidrotermales

Acuáticos

Terrestres  Océanos  Estuarios  Pantanos  Lagos  Ríos  Manatiales

 Suelos inorgánicos  Suelos orgánicos


Sulfolobus acidocaldarius Manantiales calientes. Archea. Parque Nacional de Yellowstone.

Charca oscura y burbujeante.

Halobacterium sp. Gran lago salado Utah , Estados

Unidos, más de cinco millones de toneladas de NaCl en solución.

.

BACTERIAS FISION BINARIA

MECANISMOS DE REPRODUCCION


Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento

LEVADURAS YEMACION




HONGOS CRECIMIENTO APICAL MICELIO




32 64 128 256 512 1024….

tD



tD, h

BACTERIAS 0,3 – 2,5

LEVADURAS 1,0 – 4,0

HONGOS 1,5 – 7,0

MICROALGAS 18 - 35

CELULAS MAMIFERAS 20 – 40



CINETICA DE CRECIMIENTO MICROBIANO

FISION BINARIA AUSENCIA DE INHIBIDORES

MEDIO DEFINIDO MINIMO

CULTIVO POR LOTES



a e dc b

Tiempo

lnX

FASES DEL CRECIMIENTO



µ

t

lnX



S

µ µmax

KS

µmax 2



TIEMPO DE DUPLICACIÓN (td) y VELOCIDAD ESPECÍFICA DE CRECIMIENTO (µmax ) •  td es el tiempo necesario para que se duplique la concentración celular

•  Luego en Xv=X vo exp (µ t), si t=td, Xv = 2X vo

•  2X vo= X vo exp (µmax td) ∴ td= ln2/ µmax



Cinética de crecimiento microbiano. Proceso discontinuo y considerando condiciones que hacen µ < µmax (fases de declive, estacionaria y de

muerte)

•  µ es en realidad una velocidad específica neta de crecimiento que incluye un término positivo de crecimiento celular (µc) y otro negativo de desaparición de células viables (µm) o también denominado de muerte celular •  la concentración de células viables dependerá, por tanto, de ambos:

• En la fase de crecimiento µm ≈ 0 ; en la fase estacionaria µc ≈ µm ; y en la fase de muerte µc< µm



Cinética de crecimiento de microorganismos. Factores que afectan al crecimiento

µ

Características genéticas

Condiciones ambientales

Composición del medio Temperatura pH Inhibidores




Concentración de nutrientes

•  Existen nutrientes que son consumidos en grandes cantidades y por tanto su concentración es determinante •  Al nutriente principal se le conoce como sustrato y normalmente su concentración determina la velocidad de los procesos metabólicos y de crecimiento. A menudo es la fuente de C o de N aunque en algunos casos es el oxígeno •  ¿Cómo se tiene en cuenta la influencia del sustrato en el crecimiento celular?

•  La forma más frecuente de expresar esta influencia es mediante la ecuación de Monod



S

µ µmax

KS

µmax 2




€

µc = µmaxS1

KS1 + S1

S2KS2 + S2

€

µc =µmaxS

KS + S + (KiS)2

€

µc =µmaxSKS + S

(1 − KiI )

€

µc = µmax

SKS + S

Ki

KKi + I

€

µc =µmaxSKS + S

exp(−KiI )

LIMITACIÓN POR DOS SUSTRATOS

INHIBICIÓN POR SUSTRATO

INHIBICIÓN POR OTRAS SUSTANCIAS




µ vs T

TOPT

µOPT

PSICROFILOS MESOFILOS TERMOFILOS HIPERTERMOFILOS



Mínima Óptima Máxima

Rango criofílico (-5)- 5 15-18 19-22 Rango mesofílico 10-15 25-35 35-45 Rango termofilico 40-45 55-75 60-80

En función del rango de temperatura en el que un microorganismo se encuentra viable se pueden clasificar en:




µ vs pH

pHOPT

µOPT

NEUTROFILOS ACIDOFILOS ALCALOFILOS




Microorganismo pH Favorable pH Óptimo

Bacterias 5 – 8.5 6.5 – 7.5

Levaduras 2.5 – 8.5 4 – 5

Hongos 3 – 8.5 5 - 7



t

X

QX,max

PRODUCTIVIDAD VOLUMETRICA

0 tm Prof. Domingo Cantero Moreno

Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de producción

CINETICA DE PRODUCCION

t

X P

0

ASOCIADO

ASOCIADO MIXTO

NO-ASOCIADO



Crecimiento celular X

Formación de productos

PRODUCTIVIDAD ESPECIFICA



S

S

S S S

S

S S

S

S

S

S

S

S

S1

+

E9

E2 E1 P4

P3

P2

P1

E6

E3

P10

P9

P7

E4 E8

E7

E5


Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo

Componente % peso total Número especies moleculares

Agua 70 1 Proteínas 15 3.000 Acidos nucleicos DNA 1 1 RNA 6 1.000 Carbohidratos 3 50 Lípidos 2 40 Monómeros e intermediarios

2 500

Iones inorgánicos 1 12 Prof. Domingo Cantero Moreno


Tipo nutricional Fuente de energía Fuente de carbono

Ejemplos

Fotoautotrofos Luz CO2 Procariota: Cyanobacteria, Eucariota: Plantas y algas

Fotoheterotrofos Luz Comp. orgánico

Procariota: Algunas Bacterias púrpuras y y verde. Un número limitado de algas Eucariota

Quimioautotrofos o litotrofos Comp. inorgánico, ( H2, NH3, NO2, H2S, Fe 2+)

CO2 Procariota: Unas pocas bacterias y algunas Archaea

Quimioheterotrofos Comp. orgánico Comp. orgánico

Mayoría bacteria algunas archaea. Protozoos, hongos y Animales


Clasificación de los microorganismos (requerimientos de oxígeno)

 Aerobio

 Microaerofílico

 Anaerobio facultativo

 Anaerobio

define los parámetros y características operativas-biológicas de diseño y de operación del biorreactor.


ANABOLISMO

Moléculas simples

Moléculas Complejas

Consumo de energía

CATABOLISMO

Moléculas Complejas

Moléculas simples

Transformación de energía externa

en biológica


MEDIOS DE CULTIVO

Agente de transformación

MATERIA

ENERGIA

CELULAS

PRODUCTOS



FUENTE DE ENERGIA

ATP

ADP

CALOR

INTERMEDIARIOS MONOMEROS

MACROMOLECULAS CELULAS

OTROS GASTOS



METABOLISMO ANAEROBICO

GLUCOSA + 2Pi + 2ADP 2 LACTATO + 2ATP + 2H2O

ΔGºgluc-lac= -47 kcal/mol gluc

ΔGºADP-ATP = 14,6 kcal/mol gluc

31% RECUPERACION



METABOLISMO AEROBICO

GLUCOSA + 6O2 + 36Pi + 36ADP 6CO2 + 36ATP + 42H2O

ΔGºgluc-CO2 = -686 kcal/mol gluc

ΔGºADP-ATP = 263 kcal/mol gluc

38% RECUPERACION



COMPONENTES EN MEDIO DE CULTIVO

Fuente de energía Fuente de carbono Fuente de nitrógeno Fuente de micronutrientes

Mg, P, K, S Fuente de elementos trazas

Ca, Na, Mn, Fe, Cu, Co, Zn, otros Nutrientes esenciales



SUSTRATO

SÍNTESIS DE MATERIAL

CELULAR NUEVO

SÍNTESIS DE

PRODUCTOS

SUMINISTRO DE

ENERGÍA

• Mantenimiento • crecimiento • reproducción

• Productos exocelulares Tipo 2

• exoenzimas • polisacáridos • metabolitos especiales

Productos Tipo 1



Rendimiento teórico máximo de sustrato en producto

C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2 180 2 x 46 2 x 44



Fuente carbonada Sustrato carbonado

Compuestos carbonados simples

Oxígeno

CO2 y agua

Energía almacenada como ATP

Excretados al medio

Nuevo material celular

Compuestos carbonados complejos

requerimientos de energía para mantenimiento celular Prof. Domingo Cantero Moreno


ax y ap, unidades de Kg de sustrato para energía Kg-1, no están generalmente disponibles en la bibliografía, y se incluyen combinados con los coeficientes de rendimientos para dar los factores de rendimientos.

Generalmente se asume, donde ms es el coeficiente de mantenimiento Kg de sustrato (kg cell)-1 h-1



Fuente carbonada

Cuando consideramos proceso anaerobio, no necesitamos considerar el consumo de energía para mantenimiento o síntesis celular y productos complejos, ya que podemos considerar que toda la energía procede de la producción de productos simples.



CALCULO DE MEDIO DE CULTIVO

Condiciones:

"   Levadura creciendo aeróbicamente

"   ΔX = 6 g/L

"   N es el elemento limitante

"   No hay formación de productos extracelulares



Materia orgánica C H O N P S

Iones Na+

K+

Mg2+

Ca2+

Cl-

Elementos trazas Mn Fe Co Cu Zn B Al V Mo I Si Sn Ni Cr F Se

92%



Cálculo del rendimiento del nutriente limitante

(NH4)2SO4

N en nutriente : 21.2%

N en célula : 7.5%



Cálculo de la concentración de nutriente limitante

(NH4)2SO4

YX/S : 2.8

Sf : 0

ΔX : 6 g/L

S0 = 2.14 g/L



Elemento Ei Ei en célula

% Nutriente Ei en nutr. %

YX/S

g cel/g nutr Concentr. g/L x 1.5

C 48 C6H12O6 40.0 0.5 18

N 7.5 (NH4)2S04 21.2 2.8 2.14*

P 1.7 KH2PO4 22.8 13.4 0.67

K 2.5 KH2PO4 28.7 11.5 0.78

Mg 0.3 MgSO4·7H2O 9.7 32 0.28

S 0.13 (NH4)2S04 24.2 186 0.048

Fe 0.26 FeSO4·7H2O 20.0 77 0.12

Ca 0.20 CaCl2 36.2 181 0.05

Na 0.06 NaCl 39.3 655 0.014

Zn 0.02 ZnSO4·7H2O 22.8 1140 0.008

Mn 0.004 MnCl2·6H2O 27.7 6925 0.0013

Co 0.003 CoCl2·6H2O 24.8 8267 0.0011

Mo 0.0002 MoO3 66.6 333000 0.00003 Prof. Domingo Cantero Moreno



Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorractores

MODELIZACIÓN. SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DEL BIORREATOR


Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores

BIORREACTORES

TIPO DE REACTORES   Tanque agitado   Tubular   Columnas

TIPO DE OPERACIÓN   Discontinuo (lote)   Continuo   Semicontinuo (lote alimentado)




Organizar los datos experimentales

Entender la relaciones entre los

parámetros

Diseñar equipos para una operación

Predecir el comportamiento

Op;mizar los procesos




•  Sistemas complejos: muchas variables a las que hay que realizar los balances. Hay que empezar con pocas e ir complicandolo a medida que sea necesario.

•  Biomass •  Substrate •  Product •  By-product •  Oxygen •  Carbon dioxide •  Nitrogen source •  Intermediates •  Heat

IP

cell

reactor

X

CO2

heat

S

O2

P+




Ecuaciones de Balances



Velocidad entrada: Flujo de entrada + Generación dentro del volumen+ Transf. Interfases

Velocidad de acumulación = Vel. de entrada –Vel. salida

Velocidad Salida: Flujo de salida + Consumo dentro del volumen+ Transf. Interfases



Ecuaciones de Balances

Reactores Biológicos y Bioquímicos



Cálculos

Estimación de Y’x/s, ms y Yx/n

De manera similar:



Cálculos



Ecuaciones de Velocidad

Las velocidades de generación, consumo y transferencia no son directamente medibles y han de expresarse en función términos conocidos o variables medibles.

Las de consumo y generación son velocidades cinéticas.

Las de Transferencia de masa.


Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: bioreactores

Ecuaciones Termodinámicas

A veces, como en la expresión anterior, aparece una variable que no puede medirse directamente. En tales casos la termodinámica puede echarnos una mano para que podamos poner esta variable en función de otras conocidas o fácilmente medibles.

Ley de Henry, relaciona la concentración un gas en un liquido con su presión parcial en el gas



0 0

0 0

•  BALANCE DE BIOMASA:

•  BALANCE DE SUSTRATO:


0 0

•  Las ecuaciones generales

•  BALANCE DE PRODUCTO: Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores

0 •  BALANCE DE BIOMASA:

0


0 •  BALANCE DE SUSTRATO:

0


0 0 •  BALANCE DE PRODUCTO:

Las ecuaciones generales:


"   BALANCE DE BIOMASA:

•  BALANCE DE SUSTRATO:


"   BALANCE DE PRODUCTO:

•  Las ecuaciones generales


quimiostato

Tipo Monod


Máxima productividad Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores

Aireación y Agitación Objetivos

Agitación "   Mezclar el caldo de fermentación,

para obtener una suspensión uniforme

"   Acelerando las velocidades de

transferencia de masa (nutrientes)

y calor.


Algunas consideraciones que se debe tomar son:

"   Proporcionar a los microorganismos el oxígeno necesario para llevar a cabo su proceso respiratorio.

"   La solubilidad del O2 es baja < 10mg/l ⇒ se necesita alimentar en forma continua este “nutriente”, dado que su demanda es aproximadamente de 1g/l.


Agitación por paletas Agitación por aire

Diferentes sistemas de agitación y Aireación


POTENCIA DE AGITACION

Razón Valor

HL/T 1.0 – 3.0

D/T 0.3 – 0.6

A/D 0.5 – 3.0

C/D 0.8 – 1.2 D

T

HL

C

A



Si Re > 10 000, m=0



kLa = f(células, diseño, ambiente, aireación, agitación)



47 mm 47 cm

Geometrical scale up

H:D= 1.5

Lab scale: 1L medium Pilot plant reactor: 1000 L medium

Power input : P(W) = K ρ N3 Dimp5 (S.I. units)

K=5.2 for one Rushton turbine and aqueous medium ρ = 1000 kg m-3!



Since this is impossible N or Dimp must be changed !

Assume a maximum allowable power input of 5 kW/m3 input

P = 9.5 105 W = 950 kW

P = 5.21000203 (4 x 10-3)5 = 9.5 W

Laboratory reactor; N =20 s-1

Pilot plant reactor; N = 20 s-1 and Dimp= 10(Dimp)lab



For P = 5 kW m-3 we can choose between

1. Dimp = 16.4 cm for N = 20 s-1

2. N = 3.47 s-1 for Dimp = 47 cm

Since tmix

1. (tmix)pilot plant = 23.5 (tmix)lab reactor for fixed N 2. (tmix)pilot plant = 5.8 (tmix)lab reactor for fixed Dimp



Normalmente todas las velocidades de transporte se reducen



shear stress (N/m2)

shear rate (1/s)

Bingham

Casson

dilatant

Newtonian

pseudoplastic

Slope is apparent dynamic viscosity, η

η apparent

Modelos Reológicos



Turbulence (Re#) Re ~ ηa-1

Mass transfer kLa ~ ηa-b b=-0.5..-0.9

Heat transfer h ~ ηa-c c=-0.3

Mixing (cavern size) d ~ ηa-d d=-0.3

Algunas estimaciones



•  A altas concentraciones de biomasa.

•  Cuando las células forman aglomerados, pellets, floculos, etc.

•  Cuando las células forman largos filamentos.

•  Cuando las células excretan biopolimeros como polisacaridos.

•  Cuando las materias primas forman cadenas muy largas o muy ramificadas caso de la celulosa o el almidón.

El problema se hace más importante:



TRANSFERENCIA DE CALOR

  Metabolismo exotérmico   Operación a T = cte.

Entrada de calor Sensible del aire Sensible de alimentación

Salidas de calor Sensible de gases Sensible de efluente Pérdidas

Calor generado Metabólico Agitación

Calor consumido Latente agua evaporada

Balance de energía térmica



Calor de Fermentación y balance de energía

El metabolismo celular es una reacción global exotérmica. Por tanto, si deseamos mantener una temperatura constante, será necesario remover ese calor.

Un balance simplificado de energía térmica en torno al fermentador. Se considera que no hay acumulación de energía y que los términos de calor sensible de la corrientes de entrada y salida son despreciables.

(QF +QA)V=QP+QI

QF, calor de fermentación (kcal/lh) puede ser evaluado en función de la velocidad de consumo de oxígeno. QF=0,12 QO2 QO2 en milimoles de O2/lh QI calor transferido por el serpentín QA, calor de agitación puede tomarse como un 10% de QF. QP, calor perdido a los alrededores QP= h π T HL (Tf-Ta)



h tiene un valor entre 10 y 25 kcal /hm2 ºC π = presión. T= diámetro fermentador HL= altura del líquido.

Si lo que queremos es calcular el área del serpentín y/o longitud de tubo necesario

QI=QF+QA-QP QI= U As ΔT

N= 1/2π (R2+K2)

K= paso del serpentín



ESCALAMIENTO

Reproducir el comportamiento de una población a diferentes escalas.

 Criterios de semejanza

 Criterios empleados

 Tendencias actuales




Métodos más frecuentementes utilizados.

Manteniendo la proporcionalidad geométrica mantendremos además algunas de las siguientes variables:

• Agitación por unidad de volumen. • Potencia de agitación. • Velocidad de agitación. • Caudal de alimentación. • Número de Reynolds referido al agitador • Coeficiente volumétrico de transferencia de materia • Esfuerzo cortante máximo • Tiempo de mezcla




Propiedad Reactor 80 l Reactor 10.000 l

Observando los resultados se observan efectos muy distintos según el criterio elegido


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