utpl ingenieria quimica 2010 ingenieria bioprocesos
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UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos
Prof. Domingo Cantero Moreno
CURSO DE INTRODUCCIÓN A LOS BIOPROCESOS (Loja, Ecuador. Junio 2010)
Prof. Domingo Cantero Moreno
Tánger
Provincia de Cádiz
Tetuán
Prof. Domingo Cantero Moreno
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.
Prof. Domingo Cantero Moreno
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CENTROS
Aulario "Rio San Pedro"
Biblioteca
C.A.S.E.M.
C.I.T.I.
Fac. C.C. Educación
Facultad de Ciencias
Institutos
Pabellón Polideportivo
Futura E.S. de Ingeniería (E/Proy.)
Prof. Domingo Cantero Moreno
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• Bioprocesos y rol de los microorganismos
• Tipos de células de interés
• Cinética de crecimiento
• Cinética de producción
• Medios de cultivo
• Biorreactores
Índice
Prof. Domingo Cantero Moreno
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos
PROCESO
MATERIA PRIMA
PRODUCTO
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Bioprocesos y rol de los microorganismos
MATERIA PRIMA
PRODUCTO
PRETRATAMIENTO
TRANSFORMACION
RECUPERACION
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Bioprocesos y rol de los microorganismos
TRANSFORMACION AGENTE
DE TRANSFORMACION
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Bioprocesos y rol de los microorganismos
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.
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Bioprocesos y rol de los microorganismos
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Bioprocesos y rol de los microorganismos
Agentes biológicos o biocatalizadores
Cultivo celular
Extractos de células (animales y vegetales)
Microorganismos
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Bioprocesos y rol de los microorganismos
MICROORGANISMOS
BACTERIAS
LEVADURAS
HONGOS
MICROALGAS
ARQUEAS
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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.
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
microalga
Escherichia coli
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
Saccharomyces cerevisiae
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
Rizhopus s.p
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
Penicillium chrysogenum Prof. Domingo Cantero Moreno
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
Sulfolobus metallicus (Archea) Prof. Domingo Cantero Moreno
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
Microorganismos en la naturaleza
Habitats
Mar profundo
Hidrotermales
Acuáticos
Terrestres Océanos Estuarios Pantanos Lagos Ríos Manatiales
Suelos inorgánicos Suelos orgánicos
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: Tipos de células de interés
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
LEVADURAS YEMACION
MECANISMOS DE REPRODUCCION
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
HONGOS CRECIMIENTO APICAL MICELIO
MECANISMOS DE REPRODUCCION
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
32 64 128 256 512 1024….
tD
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
tD, h
BACTERIAS 0,3 – 2,5
LEVADURAS 1,0 – 4,0
HONGOS 1,5 – 7,0
MICROALGAS 18 - 35
CELULAS MAMIFERAS 20 – 40
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
CINETICA DE CRECIMIENTO MICROBIANO
FISION BINARIA AUSENCIA DE INHIBIDORES
MEDIO DEFINIDO MINIMO
CULTIVO POR LOTES
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
a e dc b
Tiempo
lnX
FASES DEL CRECIMIENTO
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
µ
t
lnX
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
S
µ µmax
KS
µmax 2
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
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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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
Cinética de crecimiento de microorganismos. Factores que afectan al crecimiento
µ
Características genéticas
Condiciones ambientales
Composición del medio Temperatura pH Inhibidores
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
Cinética de crecimiento de microorganismos. Factores que afectan al crecimiento
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
S
µ µmax
KS
µmax 2
Cinética de crecimiento de microorganismos. Factores que afectan al crecimiento
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
Cinética de crecimiento de microorganismos. Factores que afectan al crecimiento
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
€
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
Cinética de crecimiento de microorganismos. Factores que afectan al crecimiento
µ vs T
TOPT
µOPT
PSICROFILOS MESOFILOS TERMOFILOS HIPERTERMOFILOS
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
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:
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
Cinética de crecimiento de microorganismos. Factores que afectan al crecimiento
µ vs pH
pHOPT
µOPT
NEUTROFILOS ACIDOFILOS ALCALOFILOS
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
Cinética de crecimiento de microorganismos. Factores que afectan al crecimiento
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de crecimiento
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de producción
Crecimiento celular X
Formación de productos
PRODUCTIVIDAD ESPECIFICA
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: cinética de producción
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
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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
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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.
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
ANABOLISMO
Moléculas simples
Moléculas Complejas
Consumo de energía
CATABOLISMO
Moléculas Complejas
Moléculas simples
Transformación de energía externa
en biológica
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
MEDIOS DE CULTIVO
Agente de transformación
MATERIA
ENERGIA
CELULAS
PRODUCTOS
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
FUENTE DE ENERGIA
ATP
ADP
CALOR
INTERMEDIARIOS MONOMEROS
MACROMOLECULAS CELULAS
OTROS GASTOS
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
METABOLISMO ANAEROBICO
GLUCOSA + 2Pi + 2ADP 2 LACTATO + 2ATP + 2H2O
ΔGºgluc-lac= -47 kcal/mol gluc
ΔGºADP-ATP = 14,6 kcal/mol gluc
31% RECUPERACION
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
METABOLISMO AEROBICO
GLUCOSA + 6O2 + 36Pi + 36ADP 6CO2 + 36ATP + 42H2O
ΔGºgluc-CO2 = -686 kcal/mol gluc
ΔGºADP-ATP = 263 kcal/mol gluc
38% RECUPERACION
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
Rendimiento teórico máximo de sustrato en producto
C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2 180 2 x 46 2 x 44
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
Fuente carbonada
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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.
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
CALCULO DE MEDIO DE CULTIVO
Condiciones:
" Levadura creciendo aeróbicamente
" ΔX = 6 g/L
" N es el elemento limitante
" No hay formación de productos extracelulares
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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%
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
Cálculo del rendimiento del nutriente limitante
(NH4)2SO4
N en nutriente : 21.2%
N en célula : 7.5%
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
Cálculo de la concentración de nutriente limitante
(NH4)2SO4
YX/S : 2.8
Sf : 0
ΔX : 6 g/L
S0 = 2.14 g/L
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: medios de cultivo
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: medios de cultivo
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorractores
MODELIZACIÓN. SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DEL BIORREATOR
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
BIORREACTORES
TIPO DE REACTORES Tanque agitado Tubular Columnas
TIPO DE OPERACIÓN Discontinuo (lote) Continuo Semicontinuo (lote alimentado)
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
MODELIZACIÓN. SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DEL BIORREATOR
Organizar los datos experimentales
Entender la relaciones entre los
parámetros
Diseñar equipos para una operación
Predecir el comportamiento
Op;mizar los procesos
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
MODELIZACIÓN. SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DEL BIORREATOR
• 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+
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
MODELIZACIÓN. SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DEL BIORREATOR
Ecuaciones de Balances
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
Ecuaciones de Balances
Reactores Biológicos y Bioquímicos
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
Cálculos
Estimación de Y’x/s, ms y Yx/n
De manera similar:
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Cálculos
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
Cálculos
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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.
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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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
0 0
0 0
• BALANCE DE BIOMASA:
• BALANCE DE SUSTRATO:
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
0 0
• Las ecuaciones generales
• BALANCE DE PRODUCTO: Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
0 • BALANCE DE BIOMASA:
0
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
0 • BALANCE DE SUSTRATO:
0
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
0 0 • BALANCE DE PRODUCTO:
Las ecuaciones generales:
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
" BALANCE DE BIOMASA:
• BALANCE DE SUSTRATO:
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
" BALANCE DE PRODUCTO:
• Las ecuaciones generales
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
quimiostato
Tipo Monod
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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.
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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.
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Agitación por paletas Agitación por aire
Diferentes sistemas de agitación y Aireación
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
Si Re > 10 000, m=0
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
kLa = f(células, diseño, ambiente, aireación, agitación)
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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!
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: bioreactores
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: bioreactores
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: bioreactores
Normalmente todas las velocidades de transporte se reducen
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: bioreactores
shear stress (N/m2)
shear rate (1/s)
Bingham
Casson
dilatant
Newtonian
pseudoplastic
Slope is apparent dynamic viscosity, η
η apparent
Modelos Reológicos
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: bioreactores
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: bioreactores
• 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:
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: bioreactores
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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)
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
ESCALAMIENTO
Reproducir el comportamiento de una población a diferentes escalas.
Criterios de semejanza
Criterios empleados
Tendencias actuales
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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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
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Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores
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Propiedad Reactor 80 l Reactor 10.000 l
Observando los resultados se observan efectos muy distintos según el criterio elegido
Fundamentos de Ingeniería de Bioprocesos: biorreactores