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Unidad 1: Diseño de Procesos

Daniel

Created on March 31, 2021

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diseño de procesos

Carrera de Biotecnología

Ing. Daniel Freire, MSc.

Período 61/2022-2023

DISEÑO PROCESOS

PLANIFICACIÓN DE LAS CALIFICACIONES

PRIMER CICLO Unidad 1 y 2

SEGUNDO CICLO Unidad 2 y 4

1. Tareas y Talleres: 5 puntos Análsis de artículos científicos Control de lecturas (cuestionarios) Resolución de casos 2. Trabajo Final: 5 puntos a) Final (Escrito) b) Exposición 3. Laboratorio 10 puntos 4. Evaluación 2: 10 puntos 5. Examen 2: 20 puntos TOTAL 50 puntos

1. Tareas y Talleres: 5 puntos Análsis de artículos científicos Control de lecturas (cuestionarios) Resolución de casos 2. Trabajo Final: 5 puntos a) Avance 1 (Escrito) b) Exposición 3. Laboratorio 10 puntos 4. Evaluación 1: 10 puntos 5. Examen 1: 20 puntos TOTAL 50 puntos

Período 61 /2022-2023

ÍNDICE

Objetivos
Introducción
Introducción a los reactores químicos
Modos de operación de un biorreactor
Clasificación de los biorreactores

6. Variables importantes en el diseño de biorreactores 7. Tipos de cultivo

01. Objetivos

Generales

Específicos

Establecer aplicaciones biotecnológicas en diferentes tipos de biorreactores
Diseñar biorreactores para la producción de diversos microorganismo
Implementar indicadores económicos para una viabilidad de los diseños

Establecer guías de estudio en la optimización de diseño de procesos

02. Introducción

Diseño de procesos

“El Diseño de Procesos se en marca en realizar transformaciones física y/o químicas de un material con el objetivo de obtener otro de mayor valor o utilidad .”

02.INTRODUCCIÓN

Diagrama de procesos

Díaz, M. 2021

02.INTRODUCCIÓN

Tipos de estimaciones de diseño, alcance, error y costo

Valores presentados para una planta biotecnológica de 50 M €

Tomado de: Recasens, 2018

02.INTRODUCCIÓN

Inversión en instalaciones con biorreactor (para anticuerpos monoclonales)

El costo total incluye el biorreactor y equipo anexo que corresponde un 30 y 70 % aproximadamente. Para fabricantes europeos los costos varian entre 1.94 - 1.0 M$/m3

Recasens, 2018

02.INTRODUCCIÓN

Selección entre los productos candidatos, en una empresa biotecnológica

Producto a Comercializar

Entrada al mercado

Desarrollo

Nuevos ProductosCandidatos

Definición de objetivos y presupuesto

FactibilidadEvaluación de oportuniddes

Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel 4 Nivel 5

Recasens, 2018

02.INTRODUCCIÓN

Pasos de un nuevo bioproceso comercial con la técnica de modificación de ADN

Gen cortado del cromosoma

Bioquímicos

Cromosoma Animal

Tejido Animal

Plásmido Recombinado

Multiplicación del plásmido y expresión del Gen

Plásmido Cortado

Microorganismos como E. coli

Plásmido

División celular

Recasens, 2018

02.INTRODUCCIÓN

Pasos de un nuevo bioproceso comercial con la técnica de modificación de ADN

Recuperación de producto

Envasado

Biorreactor escala piloto

Biorreactor escala laboratorio

Biorreactor escala Industrial

Recasens, 2018

03.Introducción reactores químicos

1920Procesos de síntesis del butadieno a partir de acetileno

1968 Construcción primeros reacores nucleares

2500 a. C.Egipcios

1950 Uso de reacoresmultifásicos hidrosulfuraciones hidrocrakings

Inicios siglo XXTratamiento residuos domésticos

03.Introducción reactores químicos

REACTORES

Homogéneos

Una fáse

Heterogéneos

No Catalíticos

Catalíticos

Sólido-Gas

Multi fáse

Líquido-Gas

Solido-Líquido

Solido-Líquido-Gas

03.Introducción reactores químicos

Aplicaciones como:- Producción de productos y combustibles derivados del petróleo- Producción de especialidades químicas- Farmacéuticas- Herbicidas y pesticidas- Refinación de pructos mineros - La producción de polímeros - Tratamiento de la contaminación

Una solución para el tratamiento de aguas residuales, petroquímica y minería extractiva de oro, aplicable en industrias de polimerización y azucarera. https://www.eafit.edu.co/innovacion/transferencia/Paginas/reactor-multifasico.aspx

03.Introducción reactores químicos

En el diseño y la operación de los reactores químicos hay muchos factores que interaccionan: - La cinética. - Hidrodinámica. - Contacto. - Turbulencia. - Fenómenos de transporte. - Fenómenos de superficie. - Velocidad de reacción.

03.Introducción reactores químicos

La tendencia actual en la mayor parte de procesos químicos es operar a temperaturas y presiones lo más bajas posibles. La utilización de bajas temperaturas y fase líquida se prefiere por las siguientes razones:

a) ahorro de energía b) prevenir la descomposición de las sustancias termosensitivas c) prevenir la descomposición de los catalizadores d) obtener mejor selectividad, por evitar reacciones secundarias o por actuar como disolvente de los productos e) aumentar la efectividad del catalizador y su vida útil ya que la fase líquida favorece la disolución de los depósitos f) mejorar el control de temperatura debido a su mayor conductividad térmica y capacidad calorífica g) aumentan las opciones de diseño Estas ventajas están acompañadas por las siguientes desventajas: a) un aumento de la resistencia de la transferencia de materia b) descenso de la velocidad cinética debido a la menor T.

04.MODOS DE OPERACIÓN

1. Discontinuos ( Batch).2. Semicontinuo, alimentación intermitente (Feed-Batch). 3. Continuo.

Modo de operación

Segun la elección del modo de operación se involucra las siguientes variables:1.- Conversión de sustrato 2.- Concentraciones de producto 3. - Contaminación y fiabilidad del proceso

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).a) Reactor ezimático discontinuo con desactivación enzimática :

Vs p

Doran, 2013

04.MODOS DE OPERACIÓN

Se usa para la conversión enzimática y fermentaciones de los modos de operación Batch, Feed Batch y Continuo.

M: masa del componente At: tiempo Mi = Caudal másico de entrada de A Mo = Caudal másico de salida de A RG = Velocidad másica de generación de A por reacción RC = Velocidad másica de consumo de A por reacción

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).

Operan en sistemas cerrados de manera que el sustrato se añade al cominzo del proceso a) Reacción enzimática b) Cultivo celular

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).

a) Reactor ezimático discontinuo: Sustrato limitante Mi = Mo = 0, no exsite flujo de sustrato hacia dentro o a fuera. Masa del sustrato del reactor es igual a la concentración de sustrato (s)

tb: representa el tiempo de reacción de un reactor discontinuo necesario para producir la concentración de sustrato desde So: hasta Sf. El tiempo necesario para producir una determinada concentración de producto puede calcularse a partir de la siguiente ecuación:

Doran, 2013

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).a) Reactor ezimático discontinuo:

Ejercicio: Se utiliza una enzima para producir un compuesto en la fabricación de una loción protectora contra el sol. Vmax para la enzima es 2.5 mmol/ m3 . s y Km es 8.9 mM. La concentración inicial de sustrato es 12 mM. Representar el tiempo necesario para la reacción en función de la conversión de sustrato en un reactor discontinuo.

Doran, 2013

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).a) Reactor ezimático discontinuo con desactivación enzimática :

Las enzimas van a estar sujetas a desactivación y una variable fundamental para aquello es la temperatura y pH. Ademas de fuerzas iónicas, fuerzas mecánicas, disolventes, detergentes y metales pesados. El valor viable de enzimas en le reactor puede cambiar por lo tanto el Vmax tambien.

th: vida media de la enzima kd: constante de velocidad de desactivación de primer orden

Doran, 2013

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).a) Reactor ezimático discontinuo con desactivación enzimática :

Ejercicio: La enzima del ejemplo anterior se desactiva con una vida media de 4.4 horas. Calcular el tiempo de reacción necesaria para alcanzar una conversión del sustrato del 90% en un reactor discontínuo. So = 12 mM, Vmax0 = 9 mM/h, Km = 8.9 mM, Sf = (0.1 x So)

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).b) Cultivo celular :

Tiempo de cultivo en discontinuo necesario para alcanzar una determinada densidad de biomasa

Tiempo necesario para alcanzar una determinada conversión de sustrato, si la muerte celular es despreciable.

Vx s p

Yxs: Rendimiento verdadedor de biomasa a partir de sustrato; qp: la velocidd específica de formación de producto. Yps: rendimeinto verdadero de producto a partir de sustrato , ms coeficiente de mantemiento

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).b) Cultivo celular :

Para procesos celulares donde la muerte celular es despreciable y qp constante, el tiempo de cultivo en discontinuo necesario para al canzar una determinada concentración de producto.

Vx s p

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).b) Cultivo celular :

Tiempo de cultivo en discontinuo: Se utiliza Zymomonas mobilis para convertir la glucosa en etanol en un fermentador discontinuo en condiciones anaerobias. El rendimiento de biomasa a partir de sustrato es 0.06 g/g, Ypx = 7.7 g/g. el coeficiente de mantenimiento es de 2.2 g/g.h y la velocidad específica de formación de producto debido al mantenimiento es de 1.1 /h. La velocidad específica máxima de crecimiento del microorganismo es aproximadamente 0.3 /h. Se inoculan 5 g de bacteria en 50 litros de medio de cultivo que contine 12g/L de glucosa. Determine el tiempo de cultivo necesario para: a) Producir 10 g de biomasa b) Alcanzar una conversión de sustrato al 90% c) Producir 100 g de entanol.

04.MODOS DE OPERACIÓN

Discontinuos ( Batch).b) Cultivo celular :

En este tipo de reactores discontinuos existen tiempos improductivos largos, además del tb que representa el tiempo necesario para alcanzar uan determinada conversión de células o enzimas. Es asi que se desprenden para el cálculo del tiempo total de reacción de las siguientes variables:

Tiempo de adaptación solo en celular

Tiempo necesario para limpiar

Recoger contenido del reactor

04.MODOS DE OPERACIÓN

Semicontinuo o Intermitente (Feed- Batch).

- Se añade sustrato de forma intermitente o continua con el objetivo de controlar el sustrato en el biorreactor - Se debe iniciar con una concetración baja de sustrato y posteriomente ir aumentando, para evitar altas velocidades de crecimiento. - Por ejemplo para evitar el alto consumo de oxígeno para la capacidad de transferencia de materia del reactor. - Alimentación intermitente para la producción de levaduras, para evitar altos consumos de oxígeno. Se utiliza en la producción de penicilina. - El reactor debe contar con espacio libre para poder introducir el sustrato y esto se determina midiendo la concetración de oxígeno.

Vx s p

Fxi si pi

Las reacciones enzimáticas raramente se realizan en reacotres de alimentación intermitente se considera su uso únicamente para fermentaciones.

04.MODOS DE OPERACIÓN

Semicontinuo (Feed- Batch).

Velocidad específica de crecimiento realacionada con el sustrato limitante: Carbono, nitrogeno u oxígeno o nitratos.

Fxi si pi

Cuando existe elevadas densidades celulares practicamente todo el sustrato que entra al reactor es consumido

Vx s p

La biomasa total en los fermetadores semicontinuos aumenta linealmente con el tiempo.

04.MODOS DE OPERACIÓN

Semicontinuo (Feed- Batch).

Fxi si pi

Vx s p

Doran,2013

04.MODOS DE OPERACIÓN

Semicontinuo (Feed- Batch).

Ejercicio: Propagación de la alimentación intermitente Se cultiva células de Nicotina tabacum de alta densisdad para producir goma de polisacáridos. El reactor utilizado es un tanque agitado que contiene inicialmente 100 litros de medio de cultivo. La velocidad específica maxima de crecimiento del cultivo es 0.18 /d y el redimiento de biomasa a partir de sustrato es 0.5 g/g. La concentración de sustrato limitante del crecimiento en el medio es del 3% (peso/volumen). El reactor se inocula con 1.5 g/L de celulas y opera en discontinuo hasta que desaparace todo el sustrato, momento que se inicia a incorporar medio a un caudal de 4 L/d. La operación de de alimentación intermitente se realiza en condiciones de estado pseudoestacionario. a) Calcular el tiempo de cultivo discontinuo necesario y la concentración final de biomasa b) La operación de alimentación intermitente se reraliza durante 40 días. ¿Cual es la masa final de celulas en el reactor? c) El reactor esta disponible 275 días al año con un tiempo de parada entre operaciones de 24 horas. ¿Cuantos kilogramos de biomasa se producen al año?

Doran,2013

04.Modos de operación

Producción mediante alimentación intermitente de cultivo de queso

La lactobacillus casei se propaga en condiciones esencialmente anaerobias para producir un cultivo para la fabricación de queso suizo. El cultivo produce ácido láctico como subproducto del metabolismo energético. El sistema presenta las siguientes características: Yxs = 0.23 Kg/Kg Ks = 0.15 kg/m3 Umax = 0.35 /h ms = 0.135 kg/kg.h Un fermentador agitado opera con alimentación intermitente en estado pseudoestacionario con un caudal de alimentación de 4 m3/h y una concentración de sustrato alimentado de 80 kg/m3. Transcurridas 6 h, el volumen de líquidos es 40 m3. a) ¿Cual es el volumen inicial del cultivo? b) ¿Cuál es la concentración de sustrato en estado pseudoestacionario? c) ¿Cual es la concetración de células en estado pseudoestacionario? d) ¿Que masa de células se producen a las 6 h de operación de alimentación?

04.MODOS DE OPERACIÓN

Continuo

Estrategias de fermetación CSTR (reactor tanque agitado en continuo): Quimiostato.- Volumen de líquido se mantine constante ajustando los valores de entrata y salida al mismo valor. La velocidad de dilución es constante y el estado estacionario se alcanza a las concentraciones correspondientes a la velocidad de dilución. Turbidistato.- El volumen del líquido permanece constante ajustando el caudal de salida igual al de entrada. La velocidad de dilución se ajusta al valor en estado estacionario correspondiente a la concetración deseada. Cascada de quimiostato.- Unión de uno o mas CSTR en el cual puede variar en cada reactor condiciones como pH, T y medio de cultivo. Reactor en flujo pistó.- En este tipo de modo de operación no existe mezcla, el liquido que ingresa al reactor no interacciona con sustancias adyacentes, este tipo de flujo se alcanza elevados caudales.

Vx s p

Fxi si pi

Fx s p

04.MODOS DE OPERACIÓN

Continuo

No estacionario Estacionario

Vx s p

Fxi si pi

Fx s p

P X S

0 t t Entrada Salida

04.MODOS DE OPERACIÓN

Continuo

Ejercicios: Reacción enzimática inmovilizada en un CSTR: Se inmoviliza tirosina de champiñon en portadores esféricos de 2 mm para la conversión de tirosina a dihidroxifenilalanina (DOPA) en una columna de burbujas continua en mezcla perfecta. La constante de Michaelis para la enzima inmovilizada es de 2 mol/m3. Al reactor se alimenta una solución que contine 15 mol/m3 de tirosina. Debido al alto coste de sustrato se desea alcanzar una conversión de 99%. El reactor se carga portadores de densidad 0.25 m3/m3 y toda la enzima se retien dentro del reactor. La Vmax intrinsíco para la enzimia inmovilizada es de 1.5 x 10-2 mol/s por m3 de portadores. La difusividad efectiva de tirosina en los portadores es 7x10-10 m2/s, pudiendo despreciarse los efectos de la transferencia externa de materia. La inmovilización estabiliza la enzima por lo que la desactivación es míminima durante el período de operación . Determinar el volumen de reactor necesario parar tratar 18 m3 de solución de tirosina por día.

04.MODOS DE OPERACIÓN

Continuo

0.64

Factor de efectividad interno (ni) en función del módulo de Thiele generalizado para cinética de priemer orden y geometrías esférica, cilíndrica y de lámina plana. Los puntos representan los cáluclos sobre cilindros y paralelepípedos huecos o finitos. Doran, 2013.

04.MODOS DE OPERACIÓN

Continuo

Ejercicios: Concentración en estado estacionario en quimiostato Se utiliza las células de Zymomonas mobilis del ejercicio anterior. Para un cultivo en quimiostato en un fermetador de 60 m3 la alimentación contiene 12g/L de glucosa Ks para el organismo es 0.2 g/L Vmax = 0.3/h; Yxs = 0.06 g/g; ms = 2.2 g/g.h; qp = 3.4/h a) Qué caudal se necesita para alcanzar una concentración de sustrato de 1.5 g/L en estado estacionario? b) A ese caudal, ¿cual es la densisdad celular? c) A ese caudal, ¿qué concentración de etanol se produce?

04.MODOS DE OPERACIÓN

Continuo

Ejercicios: Conversión de sustrato y productividad de biomasa en quimiostato Un fermetador de 5 m3 en continuo con una concentración de sustrato alimentado de 20 kg/m3. El microorganismo cultivado en el reactor presenta las siguientes características Vmax = 0.45 h-1; Ks = 0.8 kg/m3, Yxs = 0.55 kg/kg a) Que caudal de alimentación se necesita para alcanzar una conversión de sustrato del 90% b) Cuál es la productividad de la biomasa correspondiente a una conversión de sustrato del 90% en comparación con la máxima posible?

04.MODOS DE OPERACIÓN

Continuo

EJERCICO EN CLASE: En un biorreactor continuo perfectamente agitado se lleva a acabo una reacción biológica con Vmax = 0.1/h. si se dispone un volumen del biorreactor de 2 m3. a) Estimar el caudal aproximado máximo que se podría procesar (So >> Ks) considere que D = Vmax. b) Se alimenta el biorreactor con 800 g/m3 de sustrato y de él salen 100 g/m3, operando con un caudal del 60%. Calcular los kg/h (Px) de células que se obtienen teniendo un Yxs = 0.3 g/g c) Calcular el ks