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

TANQUE AGITADO

DISCONTINUO

BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS

AIRE

COLUMNA de

BURBUJEO

AIRE

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)

INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO

OTR

N ( r pm)

OUR

OUR

OTR

OUR = OTR

INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO

OTR

N ( r pm)

OUR

OUR

OTR

OUR = OTR STRESS

INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO

OTR

N ( r pm)

OUR

OUR

OTR

OUR = OURmax

STRESS

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

GRACIAS por su ATENCIÓN