BIOPROCESOS 1

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