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BIOPROCESOS: DESARROLLO y CAMBIO de ESCALA
Félix GARCÍA-OCHOA SORIA
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE de MADRID
Madrid, 24 de septiembre de 2013
REAL ACADEMIA de INGENIERÍA
MARTES de la RAI
BIOTECNOLOGÍA INDUSTRIAL: BIORREFINERÍA
Con el patrocinio de
APLICACIONES de la BIOTECNOLOGÍA
SERVICIOS
AGRICULTURA INGENIEROS AGRÓNOMOS
SALUD MÉDICOS, FARMACÉUTICOS,
BIOLÓGOS, QUÍMICOS
MEDIO AMBIENTE INGENIEROS QUÍMICOS,
CIENCIAS AMBIENTALES
PRODUCTOS
CAMBIO de ESCALA
PRODUCCIÓN INDUSTRIAL
INGENIEROS QUÍMICOS
BIOSENSORES INGENIEROS ELECTRÓNICOS,
QUÍMICOS ANALÍTICOS,
NANOTECNOLOGOS
BIOTECNOLOGÍA BLANCA: INDUSTRAL
PROCESO BIOTECNOLOGICO
Conservación Enzimas y MOs
Tampones y Medios (pH, comp.)
Activación, Esterilización
Precipitación
Filtración (micro, ultra, nano)
Membranas selectivas
Diálisis, electro-diálisis
Cromatografía
Acondicionamiento
de Materias Primas
(upstream)
Transformación
Bioquímica
Aislamiento y purificación
de los Productos
(downstream)
ENZIMAS o CÉLULAS
Optimización de Medios
Modelo Cinético del Proceso
Transporte entre Fases
ENZIMAS
BIOPROCESOS a ESCALA INDUSTRIAL
AMILASAS
ISOMERASAS
HIDRÓLISIS ALMIDÓN
GLUCOSA en FRUCTOSA
JARABES
EDULCORANTES
PROTEASAS
LIPASAS
CELULASAS
DEGRADACIÓN PROTEÍNAS
TRANSESTERIFICACIÓN
DEGRADAC. LIGNO-CELULOSA
DETERGENCIA
BIO-DIESEL
BIO-ETANOL
GALACTOSIDASAS HIDRÓLISIS LACTOSA
OLIGOSACÁRIDOS
PRODUCTOS LACTEOS
VALORIZACIÓN SUEROS
ENZIMAS ESPECÍFICAS KITS ENZIMÁTICOS ANÁLISIS BIOQUÍMICOS
SÍNTESIS de MOLÉCULAS PRODUCTOS
FARMACÉUTICOS
ENZIMAS F.
ORGÁNICA
MICROORGANISMOS PROCARIOTAS: BACTERIAS
MICROORGANISMOS EUCARIOTAS: MOHOS, LEVADURAS
PRODUCCIÓN de ENZIMAS, ANTIBIÓTICOS, POLISACÁRIDOS, ESTEROIDES,
AMINOÁCIDOS – PROTEÍNAS, VACUNAS ANTIVIRALES, BIODESULFURACIÓN
BIODEGRADACIÓN–REMEDIACIÓN, ANTICUERPOS MONOCLONALES
OBTENCIÓN de GMOs por INGENIERÍA GENÉTICA:
Escherichia coli, Pseudomonas sp. Sacharomyces cerevisae, Pichia
pastoris
CÉLULAS VEGETALES y de MAMÍFERO
ENZIMAS, DIGITOXINA, TAXOL, ANTICUERPOS MONOCLONALES
INTERFERONES , INTERLEUKINAS, EPO, TPA, FACTOR VIII
PRIMEROS PRODUCTOS OBTENIDOS por INGENIERÍA GENÉTICA:
INSULINA HUMANA (1978-82)
HORMONA del CRECIMIENTO (1979-85)
ACTIVADOR TISULAR (1982-87)
PRODUCTOS en DESARROLLO:
PRODUCTOS TRANSGÉNICOS,
PRODUCTOS VEGETALES NO ALIMENTARIOS
• Más de 300 MM de personas han usado ya más de 120
productos transgénicos: Insulina, Factor VIII, EPO,
Hormona del crecimiento, vacunas antivirales, etc.
• En la FDA hay más 400 productos en ensayos clínicos para
más de 200 enfermedades distintas.
• Más de 200 tests de diagnóstico basados en ACM
(anticuerpos monoclonales) para SIDA, hepatitis,
embarazo, etc.
• Se están desarrollando biopesticidas biodegradables y/o
biocompatibles
TRANSFORMACIÓN BIOQUÍMICA BIO-REACTORES
TANQUE AGITADO
DISCONTINUO
BIO-REACTORES ENZIMÁTICOS
LECHO FIJO
CONTINUO
ENZIMA en
DISOLUCIÓN
ENZIMA
INMOVILIZADA
BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS
COLUMNAS de BURBUJEO
con RECIRCULACIÓN EXTERNA con RECIRCULACIÓN INTERNA
AIRE AIRE
AIRLIFTS
BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS
CULTIVO en CONTINUO
TANQUE
AGITADO LECHO FIJO con
CÉLULAS INMOVILIZADAS
C, N
C, N X, P
AIRE
AIRE
MEDIO LÍQUIDO
REACCIÓN QUÍMICA: CINÉTICA
DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL REACCIÓN SIMPLE (ENZIMÁTICA) RED COMPLEJA de REACCIONES METABOLISMO)
TRANSFERENCIA de MATERIA ENZIMAS y/o CELULAS INMOVILIZADAS: Campo de Concentraciones en el Sólido MICROORGANISMOS: Transporte Gas-Líquido
FLUIDODINÁMICA Sistemas Heterogéneos: Contacto entre Fases Sistemas Continuos: Tiempo de Residencia
MICROORGANISMOS: STRESS HIDRODINÁMICO
FENÓMENOS en un BIO- REACTOR
ESTUDIO de los FENÓMENOS INDIVIDUALES
ACOPLE de FENÓMENOS: MODELO MACROCINÉTICO
SIMULACIÓN: TIPO de REACTOR y de OPERACIÓN
ESTRATEGIA
CAMBIO de ESCALA
Experimentación
Bibliografía
Estimación
(Correlaciones)
Modelo Químico
Modelo Físico
MODELO
MICROCINÉTICO
MODELO
MACROCINÉTICO
Tipo de Reactor
Ecs. Conservación
Fluidodinámica
Experimentación ? NO
SI
DISEÑO REACTOR
INDUSTRIAL
SIMULACIÓN - ANÁLISIS DISEÑO - DIMENSIONADO
INDUSTRIAL
X
DESARROLLO y CAMBIO de ESCALA de BIOPROCESOS
SELECCIÓN de la ENZIMA o del MICROORGANISMO
CONSERVACIÓN de la ENZIMA o del MICROORGANISMO
OPTIMIZACIÓN del MEDIO o TAMPÓN
SELECCIÓN de CONDICIONES de OPERACIÓN: T, pH, O2
SELECCIÓN del TIPO BIO-REACTOR y FORMA OPERACIÓN
MÉTODOS ESTADÍSTICOS:
ALGORITMOS GENÉTICOS
REDES NEURONALES
DISEÑOS FACTORIALES
OTROS DISEÑOS: ORTOGONALES
ESCALA LABORATORIO:
MATRAZ, ERLENMEYER, TUBO de ENSAYO
CONTACTO entre FASES DIFERENTE a ESCALA INDUSTRIAL
REACCIÓN QUÍMICA:
- ENZIMAS: REACCIÓN SIMPLE - con CÉLULAS: RED COMPLEJA de REACCIONES
TRANSFERENCIA de MATERIA: INTERFASE - ENZIMAS en DISOLUCIÓN: Sistema homogéneo - ENZIMAS INMOVILIZADAS: Transporte L–S - ENZIMAS en FASE ORGÁNICA: Transporte L–L o G–L–S - CULTIVOS CELULARES: Sistema G–L–S G–L
FLUIDODINÁMICA - CONTACTO entre FASES: Tipo de BIORREACTOR - STRESS HIDRODINÁMICO u OXIDATIVO
BIOPROCESOS: FENÓMENOS en
BIOPROCESOS ENZIMÁTICOS o con CÉLULAS
MODELOS CINÉTICOS: diversa complejidad
QUÉ INFORMACIÓN DA un MODELO CINÉTICO
VELOCIDAD del PROCESO:
- SIMULACIÓN OPERACIÓN(es):
- ELECCIÓN TIPO de REACTOR
- FORMA de OPERACIÓN
- DIMENSIONADO del BIORREACTOR ELEGIDO
INFLUENCIA de las VARIABLES:
- TEMPERATURA (control)
- MEDIO o SUSTRATOS: C, N, O (Cambio de Escala)
IDEA del METABOLISMO: Actividades Enzimáticas
OTR
N ( r pm)
INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO
OUR
0 100 200 300 400 500 60010
-8
10-7
10-6
10-5
OTR
OUR
OT
R-O
UR
(m
ol/
L·s
)
N (rpm)
CAMBIO de ESCALA
AUMENTO (Scale-up) o
DISMINUCIÓN (Scale-down) de TAMAÑO
VARIABLE CRÍTICA: CONCENTRACIÓN de OXÍGENO
CAMBIA por la AGITACIÓN
por el CAUDAL de AIRE (BURBUJEO)
por introducción de oxígeno puro
CRITERIOS:
Co2 constante
OTR constante
P/V constante
N.T constante
CAMBIO de ESCALA
Ejemplo de resultados
ESCALA P/V =cte (W/m3)
N (rpm)
kLa·102 (s-1)
N·T (m/s)
OTRmax·106
(mol O2/L·s)
2 L
245
300 2,1 1,7 4,4
20 L 200 2,8 2,1 5,8
200 L 180 4,4 3,2 9,1
ESCALA D (m) H (m) Agitador T (m)
2 L 0,13 0,16 2-TPR 0,054
20 L 0,24 0,45 3-TPR 0,10
200 L 0,51 1,00 4-TPR 0,17
Al aumentar el tamaño, aumenta la altura, se ponen más agitadores, y de mayor tamaño
CAMBIO de ESCALA
ESCALA kLa·102 (s-1)
N (rpm)
P/V =cte (W/m3)
N·T (m/s)
OTRmax·106
(mol O2/L·s)
2 L
2,1
300 245 1,7
20 L 170 110 1,8 4,4
200 L 140 105 2,5
ESCALA D (m) H (m) Agitador T (m)
2 L 0,13 0,16 2-TPR 0,054
20 L 0,24 0,45 3-TPR 0,10
200 L 0,51 1,00 4-TPR 0,17
Al aumentar el tamaño, aumenta la altura, se ponen más agitadores, y de mayor tamaño
Ejemplo de resultados