Bases de bioingeniería para el diseño de procesos

Lizzete Rivera Landa

Sarai Vargas Vázquez

Biotecnología

Conceptos implícitos y áreas de inferencia quedan comprendidos dentro de:

Microbiología industrial

Tecnología de enzimas

Tecnología de fermentaciones

Definiciones de biotecnología

Aplicación de la bioquímica , microbiología e ingeniería química al medio ambiente. Así como procesos y productos industriales. IUPAC

Aplicación de los principios científicos y de ingeniería para el procesamiento de materiales para agentes biológicos con el fin de producir bienes y servicios. EFB

Definiciones biotecnología

De una forma más restrictiva, la biotecnología implica:El uso integrado de la bioquímica, la

microbiología y la ingeniería para lograr la aplicación tecnológica de las capacidades metabólicas de micro-organismos, células y tejidos cultivados o de sus componentes . ODEC

bioingeniería

A menudo se le restringe al ámbito biomédico.Uso de la ingeniería y los principios

biológicos para la identificación de las funciones de sistemas vivos y para el desarrollo de dispositivos terapéuticos, especialmente partes y sistemas corporales artificiales.

Desarrollo biotecnológico

Desarrollo de bioprocesos (bioingeniería)

Manipulación genética Evaluación y selección de cepas o líneas celulares

Investigación de condiciones de producción

y análisis cinético del proceso

Investigación e metodología de recuperación y purificación de bioproductos

Diseño de sistemas de reacción

Diseño de biorreactores

Upstream processing, downstream processing

Análisis económico

Pueden definirse de acuerdo a sus competencias

Definición bioingeniería

Uso integrado de conocimientos y herramientas metodológicas de la bioquímica, microbiología, computación e ingeniería para el diseño y evaluación de bioprocesos.

Herramienta:Simulación de procesos

basada en modelos matemáticos

Requiere conocimientos en:Estequiometria de

reacciones biológicasBiocinéticaSistemas de reacción Transferencia de masa,

calor y momento en reactores biológicos.

Proceso fermentativo

• Preparación de materias primas, formulación y esterilización de mostos.

Upstream processing

Fermentación • Recuperación

y purificación de productos

Downstream

processing

Impacto económicoObjetivo bioprocesos: Encontrar condiciones de producción para obtener:

• Fermentación parte medular

Proteína unicelular

y tratamiento de aguas

• Recuperación de producto tiene mayor impacto.

Producción de

etanol

• Recuperación y purificación son las que más afectan en el costo global

Metabolitos de alta pureza

Alta concentración del producto.

Alta productividad.Alto rendimiento

Criterios fundamentales para diseño y evaluación de procesos fermentativos.

Proceso fermentativo

EN UN PROCESO FERMENTATIVO LOS REACTANTES SE CONVIERTEN POR ACCIÓN

MICROBIANA EN UNA MEZCLA DE PRODUCTOS DE REACCIÓN.

2.1 Estequiometria de reacciones biológicas

Población celular estática

Población celular funciona solo como biocatalizador de la reacción, se requiere formular la mezcla de reactantes considerando la estequiometria de la bioconversión.

Crecimiento

Debe considerarse la fracción de reactantes que se convierten en biomasa así como la parte de la fuente de energía utilizada para el metabolismo celular endógeno.

Producto de reacción es biomasa

Algún componente intra-celular o secretado que no represente fracción masa importante VitaminasEnzimasPéptidosEl medio de cultivo se formula a partir de la composición del propio material celular.

No hay desviación en metabolismo aerobio

No se presenta acumulación importante de subproductos, la fracción del sustrato que se incorpora a la masa celular es 66% aproximadamente; el resto se convierte en CO2.

Deberá haber exceso de carbono en el medio de cultivo para mantenerse balanceado.

Rendimiento celular

ESTIMACIÓN DE RENDIMIENTOS TEÓRICOS

Considerando un proceso aerobio, sin desviaciones del metabolismo celular y sin acumulación masiva de metabolitos se tiene la siguiente estequiometría:

A partir de esta base, podemos calcular el rendimiento teórico celular máximo:

Rendimiento calórico

Estequiometría de reacción en un proceso de combustión biológica

Dividiendo entre ΔX

Simplificando términos tenemos

Rendimiento de Oxígeno

El rendimiento de O2, YO2g, se puede estimar tomando en cuenta la liberación de 112 kcal por mol de O2 consumido en la combustión, YKO dado que:

YO2= YXO= YKOYXK