1
PROCESOS
BIOTECNOLOGICOS
PROCESOS
BIOTECNOLOGICOS I
Area
Fisicoquímica
(Plan
de
estudios 2007)
TEORICOS
2011
SEGUNDO
CUATRIMESTRE
Responsable del
dictado:
Prof.
Asociado G.
Picó
2
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
3
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 cada profesor)
Guía de Estudio (en fotoc. de C. de Estudiantes). Apuntes de temas que están poco descriptos en libros
4
OBJETIVO
GENERAL
DE
LA
ASIGNATURA
: Introducir al alumno en el escalado de los Bioprocesos.OBJETIVOS
PARCIALES
1) 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.
5
1980
MODIFICACION GENETICA DE MICRO ORGANISMOS OBTENCION DE FUENTESINAGOTABLES DE ENZIMAS Y OTRAS MACROMOLECULAS
BIOPROCESOS
1915
OPERACIONESOPERACIONES UNITARIAS: INGENIERIAUNITARIAS QUIMICA OBTENCION DE GRANDES
CANTIDADES DE MOLECULAS DE BAJO PESO MOLECULAR
1930
‐
1950
OBTENCION DE GRANDES CANTIDADES DE MACROMOLECULAS
Insulina, Proteínas plasmáticas, quimosina, etc.
FISICOQUIMICA
AportaEcuaciones las leyes de yEstado
Se incorpora la BIOLOGIA a
las operaciones unitarias
6
PROCESOS BIOTECNOLOGICOS
MICROBIOLOGIA
INDUSTRIAL
(fermentación)
PROCESOS DE SEPARACION
(downstream processing)
Molécula de interés
7
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.
8
OBTENCION
DE
UNA
SUSTANCIA
EN
EL
LABORATORIO
Masas o volumenes de reactivos muypequeños: 1 ‐100 ‐1000 mL (g)
Los tiemposno importan (muchas veces son largos o estan fraccionados en días Recipientes empleados: los clásicosque conocemos de vidrio
No se calculancostos
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 tiemposSI importan
Los ciclos deben durarpoco tiempo y son continuos
Los recipientesno son los de laboratorios
Los costos($) SI importan!!!!
9
Escala industrial
Aparecen dos variables nuevas asociadas a los procesos en escalado:
el tiempo:no puede ser cualquiera, debe estar muy acotado y perfectamente determinado, 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?
10
¿que hago?
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:
12
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
?
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 mantienen una relación constante
a
a
cte
1 2=
14Similaridad cinemática
:
V
V
cte
1 2=
500 L 1 L V2 V1 V4 V3 F1 F2 F4 F3 a b a1 b1 H1 H2 C1 C2F
F
cte
1 3=
Similaridad dinámica
:
Similaridad térmica
:
H
H
cte
1 2=
C
C
cte
1 2=
Similaridad química:
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
16 Flujo de Q Flujo de QSimilaridad calórica
Volumen total 1 L 1 kcal / L Calor total 1 kcal Superficie 477 cm2H = 2 cal/cm2
Volumen total 1000 L 1 kcal / L Calor total 1000 kcal Superficie 45844 cm2 H = 21,8 cal / cm2
17
Similaridad dinámica
Relacion de Potencia= = = Potencia Volumen W L X Potencia Volumen W L 20 1 1000 20000 1000 Imposible de obtener 18≠
Hay
similaridades geometricas,
pero...
19
≠
Agitadorindustrial Agitador de mesa de laboratorioEl
mezclado de
sustancias ...
20 Gotas distribuidas uniformementey 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
21
≠
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 ...
22 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 reactivos
calidad y pureza de los reactivos, por los costos no pueden ser de la misma Conclusiónlos 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.
23 LABORATORIO 1-5 L
El escalado de los procesos: un largo camino
ESCALADO INDUSTRIAL 100.000 L
PLANTA PILOTO 100 -500 L
El
escalado de
los
procesos:
un
largo
camino
24
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.
25 Reactor 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 26"...
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
27 trituración
destilación
filtración
Operaciones unitarias que forman un proceso de obtención de una sustancia
28 Mosto fermentado Petroleo
Operacion Unitaria
DESTILACION
Diferentes fracciones de hidrocarburos ETANOLLas 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 lasOUes obtener una molécula a partir de sustancias químicas tendremos un
PROCESO INDUSTRIAL
Si el objetivo de lasOUes obtener una molécula a partir de un ser vivo tendremos un
29
EJEMPLO: producción de insulina recombinante
30
DIAGRAMAS DE FLUJO
Esquema simple que describe un proceso quimico, detallando cuales
son las operaciones unitarias.
31
En
cada operación unitaria se
cambian las condiciones de
la
materia,
ya sea:
1.
Modificando su
masa o
masa
composición
2.
Modificando el
nivel y
la
calidad de
la
energ
energ
í
í
a que posee
a
3.
Modificando su cantidad de
movimiento
movimiento
32 presión Fuerza G
J
D
x
= −
∂ φ
∂
φ
= G, P, T Gradiente de TemperaturaSiempre hay
una fuerza conductora debido a
un
gradiente en
una
33
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
34Flujo forzado de materia a
tavéz de un medio o barrera
O. U. de TRANSFERENCIA DE MATERIA
Destilación
Absorción
Secado
Adsorción
Cristalización
Liofilización
35
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
36
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
37
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 382. Transferencia de calor:
CONDUCCION
,
CONVECCION
:
EL
GRADIENTE
ES
LA
TEMPERATURA
FLUJO
DE
ENERGÍA
COMO
CALOR
Vapor de disolvente Disolución concentrada ALIMENTO CALOR Vapor de agua Condensado
39
alimento
Liquido clarificado
lodos
3.
Transferencia
de
cantidad
de
movimiento.
ROZAMIENTO
:
EL
GRADIENTE
ES
LA
VELOCIDAD
Operación
básica
controlada
por
la
transmisión
de
movimiento
40
1
‐
SEPARACION
Procesos industriales
2
‐
CONSERVACION
Procesos biológicos
+
CLASIFICACION
DE
LAS
OPERACIONES
UNITARIAS
41
1.
OPERACIONES
DE
SEPARACION
ABSORCION
ADSORCION
MICRO
FILTRACION
ULTRA
FILTRACION
EXTRACCION
DESTILACION
OSMOSIS
INVERSA
CRISTALIZACION
EVAPORACION
SEDIMENTACION
LIXIVIACION
CENTRIFUGACION
422.
OPERACIONES
DE
ESTABILIZACION
O
CONSERVACION
CONGELACION
LIOFILIZACION
CRISTALIZACION
DESHIDRATACION
SECADO
ESTERILIZACION
PASTEURIZACION
ESCALDADO
43
44
Operación Un itaria Ley Fisica o Fisicoquímica Ecuación de estado
Flotación Ecuacion d e Dupre Δ =γ (cosφ−1)
GL flotación
G
Emulsificación Energía libre de formación de una emulsión S WO ción emulsifica A T S G =Δ − Δ Δ γ
Sedimentacion Velocidad de sedimentacion : ley d e Stokes particula agua s A Vol C g Vs ρ ρ ρ − = 2 (
Adsorción Isotermas de adsorción : Langmuir y
Freunlich aCb w n Kc nKC w n = + = ; 1
Cromatografia Isoterma de adsorcion de Langmuir y
Freunlich aCb w n Kc nKC w n = + = ; 1
Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado
Destilación Equilibrio entre fases: liquido- vapor -Ley de Raoult P Px
o =
Congelación Equilibrio entre fases: sólido- líquido - Propiedades coligativas
m K T= c Δ
Cristalización Equilibrios entre fases: sólido- liquido, solubilidad vs temperatura, pH, fuerza iónica ) , , ( lnS=f pHT etc S: solubilidad Desecación Equilibrio entre fases: vapor- solido
Isoterma BET ( ) WC C a C W W a a m m W W 1 ( 1) 1 − + = −
Osmosis Inversa Propiedades coligativas π=RTc
Fisicoquímica de los fenomenos de superficie
45
Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado
Extracción liquido - líquido
Reparto de un soluto entre dos fases inmiscible 2 1 ] [ ] [ fase fase S S K=
Lixiviación Reparto de un soluto entre dos fases inmiscibles 2 1 ] [ ] [ fase fase S S K=
Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado
Micro filtra ción Presión Osmót ica π=RTc Crioprotección Equilibrio entre fases solida y
liquida: eut écticos
Ultrafiltración Presión Osmót ica π=RTc
Fisicoquímica de los sistemas en equilibrio
Fisicoquímica de las soluciones de macromoléculas
46
PRODUCCION DE UNA MOLECULA A PARTIR DE UN
MICROORGANISMO O PRODUCTO NATURAL
ERITROPOYETINA MICROBIANA
QUIMOSINA DE LEVADURA O ECHERICHIA COLI FACTOR IX DE COAGULACION,
LAS OPERACIONES UNITARIAS EN LOS
PROCESOS BIOTECNOLOGICOS
47
FUENTE BIOLOGICA
MOLECULA DE INTERES CONTENIDA EN SISTEMA COMPLEJO
Downstream processing
FILTRACION- ABSORCION – EXTRACCION
ADSORCION (CROMATOGRAFIAS)
OSMOSIS, ETC
.
OPERACIONES UNITARIASDE AISLAMIENTO Y PURIFICACION CONCENTRACION LIOFILIZACION ADICION DE SOLUTOS CRISTALIZACION, ETC. OPERACIONES UNITARIAS DE ESTABILIZACION DEL PRODUCTO FINAL PRODUCCION DE LA BIO MOLECULA 48Veamos algunos ejemplos de procesos biotecnológicos
FUENTE BIOLOGICA LECHE Donde se produce el proceso biológico FILTRACION MICRONIZACÍON
Globulos de grasas uniforme
CENTRIFUGACION
PASTEURIZACION
+ Leche 3 % grasa GRASA ($)
INDUSTRIA LACTEA
INDUSTRIA LACTEA
49
OBTENCION DE ETANOL
OBTENCION DE ETANOL
FERMENTACION DE AZUCARES
FINALIZA 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) Todos
procesos físicos