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PROCESOS BIOTECNOLOGICOSPROCESOS BIOTECNOLOGICOS IArea Fisicoquímica

(Plan de estudios 2007)

TEORICOS 2011SEGUNDO CUATRIMESTRE

Responsable del dictado: Prof. Asociado G. Picó

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Dictado de la Asignatura:Responsable: Profesor Asociado G. Picó

Prof. Asociada: Dra B. Farruggia y Prof. Adjunta: Dra B. Nerli

Promoción directa de la Asignatura sin examen final

+ Asistencia: clases Teóricas obligatorias, Tareas de Aula y Laboratorios. (ver Cronograma en transparente)

+ Aprobar Tareas de Aula y Laboratorios

+ Aprobar Parcial I y II o sus recuperatorios

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BIBLIOGRAFIA

- Doran, P. Principios de los Bioprocesos. Editorial Acribia (1995)

- A. Pessoa, Beatriz Van Kilikian Purificacao de Productos Biotecnologios

- G. Jagnow , W. David, Biotecnologia Introduccion con experimentos modelos Ed. Acribia

-W. Mc Cabe, J. Smith, P. Harriott Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica 7ma Ed

- Perry's Chemical Engineers' Handbook (7th Edition) - Knovel -

Bibliografia: fotocopias de capítulos de Libros (ver cadaprofesor)Guía de Estudio (en fotoc. de C. de Estudiantes).Apuntes de temas que están poco descriptos en libros

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OBJETIVO GENERAL DE LA ASIGNATURA: Introducir al alumno en el escaladode los Bioprocesos.

OBJETIVOS PARCIALES1) Introducir al alumno en la química de la MACRO ESCALA

aplicada a la obtención de moléculas a partir de procesos biológicos

2‐ Introducir el concepto de Operación Unitaria, su clasificación y los principios fisicoquímicos de las misma con sus  ecuaciones de estado

3) Desarrollar  criterios de optimización para el escalamiento (scale‐up) de los  procesos. Integrar las OPERACIONES UNITARIAS entre si.

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1980 MODIFICACION GENETICA DE MICRO ORGANISMOS OBTENCION DE FUENTES INAGOTABLES DE ENZIMAS Y OTRAS MACROMOLECULAS

BIOPROCESOS

1915  OPERACIONES UNITARIASOPERACIONES UNITARIAS: INGENIERIA QUIMICA OBTENCION DE GRANDES CANTIDADES DE MOLECULAS DE BAJO PESO MOLECULAR

1930‐ 1950   OBTENCION DE GRANDES CANTIDADES DE MACROMOLECULAS Insulina, Proteínas plasmáticas, quimosina, etc.

FISICOQUIMICAAporta las leyes y Ecuaciones de 

Estado

Se incorpora la BIOLOGIA a las operaciones unitarias

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PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL

(fermentación)

PROCESOS DE SEPARACION

(downstream processing)

Molécula de interés

¿ Cómo se estudian los Procesos Biotecnológicos en cualquier Universidad ?

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FISICOQUIMICA

PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

un Ingeniero Químico posee excelentes herramientas para diseñar Operaciones Químicas en macro escala, carece de conocimientos de:

Microbiología, necesarios para entender el metabolismo y desarrollo de microorganismos productores de moléculas lábiles,

Biología Molecular, necesarios para modificar genéticamente microorganismos,

Fisicoquímica de la soluciones de macromoléculas, necesarios para entender los Procesos Químicos donde se deben manipular y estabilizar macromoléculas.

Fisicoquímica de los fenómenos superficiales, necesarios para interpretar el mecanismo mediante el cual se llevan a cabo diferentes Procesos Químicos como cromatografía, adsorción, formación de emulsiones, etc.

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OBTENCION DE UNA SUSTANCIA EN EL LABORATORIO

Masas o volumenes de reactivos muy pequeños: 1 ‐100 ‐1000 mL (g)

Los tiempos no importan (muchas veces son largos o estan fraccionados en días

Recipientes empleados: los clásicos que conocemos de vidrio

No se calculan costos

El producto final tiene una masa de mg o menos

OBTENCION DE UNA SUSTANCIA EN  MACRO ESCALA

Masa o volumenes de miles de Kg o L

Los tiempos SI importan

Los ciclos deben durar poco tiempo y son continuos

Los recipientes no son los de laboratorios

Los costos ($) SI importan !!!!

El producto a obtener representa masa de miles de g, Kg

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Escala industrialAparecen dos variables nuevas asociadas a los procesos en escalado:

el tiempo: no puede ser cualquiera, debe estar muy acotado y perfectamentedeterminado, esto esta relacionado con la segunda variable;

el costo del proceso, el cual pasa a ser la variable mas importante de todas, dado la magnitud que adquiere por la extensión del sistema que se esta manejando.

las variables que caracterizan el proceso en el laboratorio (rendimiento, pureza del producto, etc.) no muestran los mismos valores que las obtenidas cuando el proceso se realiza en macro escala.

¿Por qué se producen estas diferencias, si el proceso que se ejecuta es el mismo desde el punto de vista químico?

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¿quehago?

¿ Cómo pasamos del laboratorio a la macro escala ?

6

11

Se pueden emplear diferentes caminos

Fenomenológico: fundamentado en algunos razonamientos teóricos que permite hacer predicciones en rangos o intervalos de operaciones no estudiados experimentalmente.

Método basado en la experiencia (empirismo): recurre al registro  de los datos del proceso en la escala existente y una posterior relación matemática de ellos, surgen correlaciones empíricas que permitan escalar el proceso.

No se puede generalizar para diferentes procesos.

Método basado en el principio de similaridad:

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El principio de similaridad

hace referencia a la relación que existe entre el tamaño de los sistemas físicos, siendo un principio básico en el escalamiento de los procesos químicos.

¿Qué similaridades hay?

Fundamento teórico del escalado

Geométrica

Cinética

Dinámica

Térmica

Química

?

7

13

500 L

1 L

V2

V1

V4

V3

F1

F2

F4

F3

a

b

a1

b1

H1

H2

C1

C2

Suponiendo dos mezcladores de 1 L y otro de 1000 L

1000 L

Similaridad geometrica: cuando sus medidas mantienenuna relación constante

aa

cte1

2

=

14

Similaridad cinemática:

VV

cte1

2

=

500 L

1 L

V2

V1

V4

V3

F1

F2

F4

F3

a

b

a1

b1

H1

H2

C1

C2

FF

cte1

3

=

Similaridad dinámica:

Similaridad térmica:

HH

cte1

2

=

CC

cte1

2

=Similaridad química:

8

15

Diámetro 1000 veces mayor

¡¡ 100 m !!!

Diámetro 10 cm

h= 12,7 cm

h= 121 cm

Diámetro 100 cm

NO se cumple el principio de similaridad geométrica

Valor de diámetro normal

Similaridad geométrica

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Flujo de Q

Flujo de Q

Similaridad calórica

Volumen total 1 L

1 kcal / L

Calor total 1 kcal

Superficie 477 cm2

H = 2 cal/cm2

Volumen total 1000 L

1 kcal / L

Calor total 1000 kcal

Superficie 45844 cm2

H = 21,8 cal / cm2

9

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Similaridad dinámica

Relacion de Potencia= =

=

PotenciaVolumen

WL

X PotenciaVolumen

WL

201

1000 200001000

Imposible de obtener

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≠

Hay similaridades geometricas,   pero..........

En muchos casos el principio de similaridad no se cumple...............

10

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≠

Agitador industrial

Agitador de mesa de laboratorio

El mezclado de sustancias ..........

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Gotas distribuidas uniformemente y de diametro constante

Gotas distribuidas no uniformemente y de diametro variable

Fase I Fase II

Las burbujas tienen tendencia a moverse por gravedad ascendiendo por la fase liquida

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≠

Flujo de calor ≈ pocas calorias

ΔT≈ 0

Flujo de calor miles de calorias

ΔT >> 0

El equilibrio térmico entre sistema y medio ambiente se mantiene facilmente El equilibrio térmico entre sistema y medio

ambiente se mantiene mediante sistemas adicionales que facilitan la disipación de calor

La transferencia de calor ..........

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Además de este problema, se deben responder otras cuestiones, tales como: - a producción de desperdicios: ¿como se eliminan ?- el costo del proceso- el manejo de grandes volúmenes o masas de reactivoscalidad y pureza de los reactivos, por los costos no pueden ser de la misma calidad que los empleados en el proceso de laboratorio.

Conclusión los valores de las variables que caracterizan un Proceso Biotecnológico llevado a cabo a escala de laboratorio, no son las mismas que cuando el proceso se realiza en escalado.

≠

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LABORATORIO 1-5 L

El escalado de los procesos: un largo camino

ESCALADO INDUSTRIAL100.000 L

PLANTA PILOTO100 -500 L

El escalado de los procesos: un largo camino

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VENTAJA DE LA PLANTA PILOTO:

- Muestra el rendimiento del proceso en escala intermedia.

- Este ensayo es mas económico, si hay errores o hay que entrenar personal.

- Muestra el comportamiento de las variables al pasar a la escala piloto.

- Permite evaluar los residuos.

- Evalúa el costo de reactivos.

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25Reactor Químico o

Fermentador

Materias Primas o

Reactivos

Productos

Transformación Química

EL CAMINO GENERAL DE UN PROCESO DE OBTENCION DE UNA MOLECULA

Transformación Física

Operaciones Unitarias

Residuos

Producto final

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"... todo proceso químico puede descomponerse en una serie ordenada de pasos, que pueden llamarse operaciones unitarias,

como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación, etc. "

OPÉRACION UNITARIA    ¿ QUE ES ?  

(OPERACION BASICA)

Concepto introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of Technology.

El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y  sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso 

determinado."

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trituración

destilación

filtración

Operaciones unitarias que forman un proceso de obtención de una sustancia

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Mosto fermentado

Petroleo

Operacion Unitaria

DESTILACION

Diferentesfracciones de hidrocarburos

ETANOL

Las Operaciones Unitarias son iguales e independiente del proceso y del producto final que se obtenga.

El fundamento científico de una Operación Unitaria es el mismo, independiente del proceso en que se aplique.

Si el objetivo de las OU es obtener una molécula a partir de sustancias químicas tendremos un

PROCESO INDUSTRIAL

Si el objetivo de las OU es obtener una molécula a partir de un ser vivo tendremos un

PROCESO BIOTECNOLOGICO

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EJEMPLO: producción de insulina recombinante

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DIAGRAMAS DE FLUJO

Esquema simple que describe un proceso quimico, detallando cualesson las operaciones unitarias.

EJEMPLO: EXTRACCIÓN DE ACEITE DE POROTO DE SOJA

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En cada operación unitaria se cambian las condiciones de la materia, ya sea:

1. Modificando su masamasa o composición

2. Modificando el nivel y la calidad de la energenergííaa que posee

3. Modificando su cantidad de movimientomovimiento

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presión

Fuerza G J Dx

= −∂ φ∂

φ = G, P, T

Gradiente de Temperatura

Siempre hay una fuerza conductora debido a un gradiente en unavariable fisica

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Clasificación de las OU, según la propiedad que se transfiere

FLUJO CALOR A TRAVES DEL SISTEMA

Cantidad de calor:Dehidratación Evaporación

Congelación Pasteurización

Liofilización Cristalización

Esterilización Secado

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Flujo forzado de materia a tavéz de un medio o barrera

O. U. de TRANSFERENCIA DE MATERIA

Destilación Absorción

Secado Adsorción

Cristalización Liofilización

Osmosis Inversa

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Clasificación de las OU, según la propiedad que se transfiere

Cantidad de movimiento:Sedimentación Filtración

Ultrafiltración Osmosis inversa

Mezcla Centrifugación

Emulsificación

FLUJO FORZADO DE MATERIA A TRAVES DE UN MEDIO O BARRERA

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O. U. DE CAMBIO EN LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO

Sedimentación Filtración

Ultrafiltración Osmosis Inversa

Mezcla Centrifugación

Emulsificación Flotación

Flujo forzado de materia a tavéz de un medio o barrera

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CADA OPERACIÓN UNITARIA TIENE UNA FUERZA IMPULSORA,

LA CUAL PRODUCE LA TRANSFERENCIA

1. Transferencia de masa:   DIFUSION:

EL GRADIENTE ES LA CONCENTRACION

Benceno + Acetona

Agua

Benceno

Agua + Acetona

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2. Transferencia de calor: CONDUCCION, 

CONVECCION: EL GRADIENTE ES LA TEMPERATURA

FLUJO DE ENERGÍA COMO CALOR

Vapor de disolvente

Disolución concentrada

ALIMENTOCALOR

Vapor de agua

Condensado

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alimento

Liquido clarificado

lodos

3. Transferencia de cantidad de movimiento. ROZAMIENTO:

EL GRADIENTE ES LA VELOCIDAD

Operación básica controlada por la transmisión de movimiento

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1‐ SEPARACIONProcesos industriales

2‐ CONSERVACIONProcesos biológicos

+

CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS SEGUN SU APLICACION

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1. OPERACIONES DE SEPARACIONABSORCIONADSORCIONMICRO FILTRACIONULTRA FILTRACION

EXTRACCION

DESTILACIONOSMOSIS INVERSA

CRISTALIZACIONEVAPORACIONSEDIMENTACIONLIXIVIACIONCENTRIFUGACION

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2. OPERACIONES DE ESTABILIZACION O CONSERVACION

CONGELACION

LIOFILIZACION

CRISTALIZACION

DESHIDRATACIONSECADO

ESTERILIZACIONPASTEURIZACIONESCALDADO

22

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Operación Unitaria Ley Fisica o Fisicoquímica Ecuación de estado Flotación Ecuacion de Dupre )1(cos −=Δ φγ GLflotaciónG Emulsificación Energía libre de formación de una

emulsión S

WOciónemulsifica STAG Δ−Δ=Δ γ

Sedimentacion Velocidad de sedimentacion: ley de Stokes

particula

aguas

AVol

Cg

Vsρρρ −

=(2

Adsorción Isotermas de adsorción: Langmuir y Freunlich

baCwn

KcnKC

wn =

+= ;

1

Cromatografia Isoterma de adsorcion de Langmuir y Freunlich baC

wn

KcnKC

wn =

+= ;

1

Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Destilación Equilibrio entre fases: liquido- vapor

-Ley de Raoult xPP o=

Congelación Equilibrio entre fases: sólido- líquido - Propiedades coligativas

mKT c=Δ

Cristalización Equilibrios entre fases: sólido- liquido, solubilidad vs temperatura, pH, fuerza iónica

),,(ln etcTpHfS = S: solubilidad

Desecación Equilibrio entre fases: vapor- solido Isoterma BET ( ) CW

CaCWWa

a

mmW

W )1(11

−+=

−

Osmosis Inversa

Propiedades coligativas cRT=π

Fisicoquímica de los fenomenos de superficie

Fisicoquímica de los cambios de fases

23

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Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Extracción liquido - líquido

Reparto de un soluto entre dos fases inmiscible

2

1

][][

fase

fase

SS

K =

Lixiviación Reparto de un soluto entre dos fases inmiscibles

2

1

][][

fase

fase

SS

K =

Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Micro filtración Presión Osmótica cRT=π Crioprotección Equilibrio entre fases solida y

liquida: eutécticos

Ultrafiltración

Presión Osmótica cRT=π

Fisicoquímica de los sistemas en equilibrio

Fisicoquímica de las soluciones de macromoléculas

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PRODUCCION DE UNA MOLECULA A PARTIR DE UN MICROORGANISMO O PRODUCTO NATURAL

ERITROPOYETINA MICROBIANA

QUIMOSINA DE LEVADURA O ECHERICHIA COLI

FACTOR IX DE COAGULACION,

HORMONA DEL CRECIMIENTO EN LECHE DE VACAS TRANSGENICAS

LAS OPERACIONES UNITARIAS EN LOS PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

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FUENTE BIOLOGICAMOLECULA DE INTERES CONTENIDA EN SISTEMA COMPLEJO

Downstream processingFILTRACION- ABSORCION – EXTRACCION

ADSORCION (CROMATOGRAFIAS) OSMOSIS, ETC.

OPERACIONES UNITARIAS DE AISLAMIENTO Y PURIFICACION

CONCENTRACION

LIOFILIZACION

ADICION DE SOLUTOS

CRISTALIZACION, ETC.

OPERACIONES UNITARIAS

DE ESTABILIZACION DEL PRODUCTO FINAL

PRODUCCION DE LA BIO MOLECULA

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Veamos algunos ejemplos de procesos biotecnológicos

FUENTE BIOLOGICA

LECHE

Donde se produce el proceso biológico

FILTRACION

MICRONIZACÍONGlobulos de grasas uniforme

CENTRIFUGACION

PASTEURIZACION

+ GRASA ($)Leche 3 % grasa

INDUSTRIA LACTEAINDUSTRIA LACTEA

Todos procesos físicos

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OBTENCION DE ETANOLOBTENCION DE ETANOL

FERMENTACION DE AZUCARESFINALIZA CUANDO LA [ETANOL] = 12- 14 % v / v

(Parte química del proceso)

DESTILACION DEL AZEOTROPO

(Parte física del proceso)

Etanol absoluto

(Eliminación del 4 % de agua)

Todosprocesos

físicos