Nombre de la materia: BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL Clave de la materia: 4080
Clave CACEI: IA
Tipo de materia: Obligatoria No. de créditos aprobados: 6
Fecha última de Revisión Curricular: Julio de 2017 Materia y clave de la materia requisito: Cinética en Ingeniería Ambiental (4012)
Programa analítico Biotecnología Ambiental
A)
D
ATOS BÁSICOS DEL CURSOSemestre Horas de teoría
por semana Horas de práctica por semana adicional estudiante Horas trabajo Créditos
VII 3 0 3 6
B)
O
BJETIVOS DEL CURSOObjetivos generales
Al finalizar el curso el estudiante será capaz de comprender, emplear y evaluar los sistemas biológicos para la remediación de diversos receptores ambientales (e.g. suelo, aire agua) contaminados mediante procesos amigables con el entorno natural, empleando procesos biotecnológicos sustentables.
Objetivos específicos
Unidades Objetivo específico
1. 1. Principios de óxido-reducción en medios naturales
Emplear los conceptos de óxido reducción e identificar los diversos aceptores de electrones presentes en medios naturales que median los procesos biológicos, así como las relaciones estequiométricas y energéticas.
2. Cinéticas Microbiana Conocer y emplear las expresiones cinéticas que puedes ser empleadas en sistemas biológicos, para reactores de mezcla completa
3. Modelo de Biopelícula
Definir y establecer los balances de masa en el modelo de biopelícula así como las consideraciones y los factores involucrados para su formación y/o desprendimiento
4. Análisis de Reactores biológicos
Describir balances de masa para diferentes reactores bilógicos así como las consideraciones necesarias para la inclusión de las resistencias por transferencia de masa asociada al transporte.
C)
C
ONTENIDOS Y MÉTODOS POR UNIDADES Y TEMAS3h/semana, 16 semanas: 48 h/semestre
Unidad 1 Principios de óxido-reducción en medios naturales 12 h
Tema 1.1 Definiciones y conceptos básicos 3 h
Subtemas 1.1.1. Estados de oxidación y balance de reacciones Redox
1.1.2. Actividad de electrón, pe y cálculos de equilibrio
Tema 1.2 Condiciones Redox en aguas naturales 2 h
Subtemas 1.2.1. Constantes de equilibrio para pares redox en medio naturales
1.2.2. Ciclos biogeoquímicos y aceptores naturales de electrones 1.2.3. Reacciones de transferencia de energía en células 1.2.4. Secuencia de reacciones redox en medios naturales 1.2.5 Oxidación de materia orgánica por sulfatos
Tema 1.3. Reacciones de óxido-reducción mediada microbianamente 3 h
Subtemas 1.3.1. Metabolismo microbiano asociados a oxidación de materia orgánica
compleja
1.4.2. Portadores de electrones y energía en células (e.g. NAD+, NADP+) 1.4.3. Balances de energía para anabolismo y catabolismo
1.4.4. Ciclo del ácido cítrico
Tema 1.4 Estequiometría en sistemas biológicos y rendimiento energético 4 h
Subtemas 1.4.1. Reacciones de media celda para sistemas biológicos con diversos
aceptores de electrones.
1.4.2 Fórmula empírica para células microbianas 1.4.3. Partición de sustrato y rendimiento celular 1.4.4. Reacciones de energía
1.4.5 Reacciones globales para crecimiento biológico 1.4.6 Estequiometria para nitrificación y metanogénesis Lecturas y otros
recursos Revisión de libros y artículos relacionados a los balances estequiométricos en los diversos tipos de metabolismo microbiano existente en medios naturales Métodos de enseñanza Exposición del tema con apoyo de recursos de cómputo y audiovisuales
Resolución de problemas de razonamiento y aplicación. Discusión de temas, investigación en grupo
Actividades de
aprendizaje Elaboración de balances de masa y cálculos estequiométricos. Exposición en clase de las rutas metabólicas de los diversos biopolímeros orgánicas que pueden ser empleados como fuente de carbono en sistemas biológicos
Unidad 2 Cinéticas Microbiana 12 h
Tema 2.1. Modelo de núcleo decreciente 2 h
Subtemas 2.1.1 Descripción del modelo y analogías a los procesos bióticos
2.1.2 Tipos de expresiones cinéticas y cálculo de la etapa controlante
Tema 2.2 Cinética de Michaelis-Menten 4 h
Subtemas 2.2.1. Reactividad enzimática (coenzimas, cofactores, y cosubstratos)
2.2.2. Teoría general enzimática de Michaelis-Menten
2.2.3. Inhibición Enzimática. Tipos de inhibición y expresiones de velocidad 2.2.4. Linealización de las expresiones de inhibición competitiva y no competitiva
Tema 2.3. Cinética de Monod 2 h
2.3.1. Expresión de velocidad para Cinéticas de Monod y parámetros asociados 2.3.2. Respiración endógena
2.3.3. Parámetros típicos de parámetros de Monod en diversos sistemas biológicos
2.4.1. Balance de masa en un quimiostato del sustrato orgánico
2.4.2. Definición de parámetros biológicos clave (tiempo de retención celular, sustrato mínimo, biomasa activa e inerte, etc.)
2.4.3. Balance de masa considerando biomasa inerte y sólidos suspendidos volátiles
2.4.4. Análisis del funcionamiento de un quimiostato y criterios de diseño
Actividad práctica Cálculos de cinéticas y ajustes de datos con herramientas de cómputo.
Preparación de base de datos para evaluar los criterios de diseño en un reactor biológico de mezcla completa
Lecturas y otros
recursos Revisión de artículos científicos recientes de casos de estudio con aplicaciones tecnológicas a la biotecnología ambiental (Actualización constante). Métodos de enseñanza Exposición del tema con apoyo de recursos de cómputo y audiovisuales
Resolución de problemas de razonamiento y aplicación. Discusión de temas
Investigación en grupo Actividades de
aprendizaje Exposición en clase sobre la aplicación de las estrategias aprendidas a la resolución de un problema planteado
Unidad 3
Modelo de Biopelícula
12 hTema 3.1. Definición y balance en biopelículas 6 h
Subtemas 3.1.1. Biopelícula ideal y balance de masa de sustrato
3.1.3. Cinética de primer orden en biopelículas y solución analítica 3.1.4. Solución en estado estacionario de biopelícula y respuesta típica 3.1.5. Solución pseudo-analítica en estado estacionario de biopelicula
Tema 3.2 Factores que influyen en el desprendimiento de biopelículas 2 h
Subtemas 3.2.1. Estimación de parámetros típicos en biopelículas
3.2.2. Coeficiente de transferencia de masa en una biopelícula y sus números adimensionales asociados
3.2.3. Mecanismo y cálculo del coeficiente de desprendimiento de biopelícula y
Tema 3.3 Balance de masa en un reactor biológico de mezcla completa con biopelícula 4 h
Subtemas 3.3.1.Balance típico de un reactor de mezcla completa con biopelícula
3.3.2. Uso de las curvas de carga superficial normalizada para S*min K* Lecturas y otros
recursos Revisión de artículos científicos recientes de casos de estudio con aplicaciones tecnológicas a la biotecnología ambiental (Actualización constante). Métodos de enseñanza Exposición del tema con apoyo de recursos de cómputo y audiovisuales
Resolución de problemas de razonamiento y aplicación. Discusión de temas, investigación en grupo
Actividades de
aprendizaje Exposición en clase sobre la aplicación de las estrategias aprendidas a la resolución de un problema planteado
Unidad
4. Análisis de reactores biológicos
12 hTema 4.1 Transferencia de masa gas-líquido en sistemas bióticos y número adimensionales 3 h
Subtemas 4.1.1. Tipos y combinaciones de resistencia a la transferencia de masa
4.1.2. Tipos de contactores gas-líquido y el km
4.1.3. Transferencias masa en cuerpo con caída y ascenso libre 4.1.4. Estimación del área interfacial de transporte y espacio vación
Subtemas 4.2.1. Conceptos generales y número adimensionales
4.2.2. Correlaciones para coeficientes de transferencia de masa y área interfacial
Tema 4.3. Casos de estudio 6 h
Subtemas
4.3.1. Descripción del funcionamiento de un reactor continuo de tanque
agitado
4.3.1. Descripción del funcionamiento de un biofiltro de aire en un reactor
de lecho empacado
4.3.3. Descripción del funcionamiento de una biopila de lixiviación
Lecturas y otros
recursos Revisión de artículos científicos recientes de casos de estudio con aplicaciones tecnológicas a la remediación (Actualización constante). Métodos de enseñanza Exposición del tema con apoyo de recursos de cómputo y audiovisuales
Resolución de problemas de razonamiento y aplicación. Discusión de temas, investigación en grupo
Actividades de
aprendizaje Exposición en clase sobre la aplicación de las estrategias aprendidas a la resolución de un problema planteado
D)
E
STRATEGIAS DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE
Exposición de los temas con apoyo de recursos informáticos, de cómputo y audiovisuales
Tareas sobre los temas expuestos
Exposición en clase sobre la aplicación de las estrategias y herramientas aprendidas a
problemas específicos
Participación por parte de los estudiantes para el análisis de casos de estudio sobre aplicaciones
de biotecnología ambiental documentadas para control de la dispersión y mitigación de un
contaminante, analizando tanto casos exitosos como tecnologías fallidas.
E)
E
VALUACIÓN Y ACREDITACIÓNElaboración y/o presentación Periodicidad
Abarca
Ponderación
Primer examen parcial
3
Unidades 1 y 2
33%
Segundo examen parcial
8
Unidades 3 y 4
33%
Examen Ordinario
16
Unidades 1 - 5
34%
TOTAL 100%
Reportes de prácticas, tareas y
participación diaria en clases,
con valor relativo del 100% para
acreditar el Laboratorio
Variable
Unidades 1 - 4
F)
B
IBLIOGRAFÍA Y RECURSOS INFORMÁTICOSTextos básicos
Rittmann BE, McCarty PL. 2001. Biotecnología del medio ambiente: principios y aplicaciones.
McGraw Hill Inc., Madrid
Stumm W. and Morgan J.J. 1996. Aquatic chemistry. Chemical equilibrium and rates in natural waters. 3rd.
Ed. John Wiley and Sons, Inc. New York, USA.
Levenspiel, O. 2004. Ingeniería de las reacciones químicas. Limusa.
