Unidad 5: FERMENTACIN E INSTRUMENTACION

Objetivos especficos:

5.1. Describir y distinguirn los biorreactores utilizados en los diferentes

procesos biotecnolgicos, uso y aplicaciones.

5.2. Explicar la finalidad de la agitacin en la fermentacin, los diferentes

procesos de separacin y purificacin.

Contenido de unidad

5.1. Fermentacin y tipos de fermentacin.

5.2. Cintica de las fermentaciones.

5.3 Concepto de biorreactor y tipos de biorreactor.

5.4. Transferencia de Oxgeno

5.5. Agitacin y tipos de agitadores.

5.6. Procesos de separacin.

El proceso de fermentacin es anaerbico ya que se produce en ausencia de oxgeno; ello significa que el aceptor

final de los electrones del NADH producido en la gluclisis no

es el oxgeno, sino un compuesto orgnico que se reducir

para poder oxidar el NADH a NAD+. El compuesto orgnico

que se reduce (acetaldehdo, piruvato) es un derivado del

sustrato que se ha oxidado anteriormente

En los seres vivos, la fermentacin es un proceso anaerbico: bacterias y levaduras

FERMENTACIN?

TIPOS DE FERMENTACIN?

TIPOS MO SUSTRATO PRODUCTO USOS

Alcohlica Saccharomyces Glucosa Etanol Alimentos,

industrial

Lctica Lactobacillus Lactosa cido lctico Alimentos,

industrial

Actica Acetobacter

aceti

Etanol cido actico Alimentos,

industrial

Butrica Clostridium

butyricum

Glcidos cido butrico

y gas

Olores ptridos y

desagradables

Cintica de las fermentaciones?

Crecimiento microbiano Fases del crecimiento microbiano Rendimientos metablicos Clculo de Velocidad especfica de crecimiento y constante de sustrato

El reactor es el corazn de cualquier proceso de fermentacin o conversin enzimtica. El diseo de

biorreactores es una tarea complicada, basada en

principios cientficos y de ingeniera y en muchas reglas

empricas. Los aspectos especficos del reactor y su

operacin incluyen varias decisiones crticas.

Configuracin del reactor

Tamao del reactor

Condiciones del proceso dentro

del reactor

Modo de operacin

Costo total produccin

I+D

Fermentacin /rxn

Materiales de partida

Operacin del biorreactor

Salarios

Servicios

Depreciacin

Seguros

Recuperacin P

Materiales

Salarios

Servicios

Depreciacin

Seguros Admon. y Marketing

COSTO TOTAL DE LA PRODUCCIN EN BIOPROCESOS

ESTRATEGIAS PARA EL DISEO DE BIORREACTORES EN

FUNCIN DE LOS FACTORES DETERMINANTES DEL

COSTO EN EL PROCESO

1) I+D

Maximizar la velocidad del cambio de escala Maximizar la reproducibilidad de operacin del reactor

Minimizar el riesgo de contaminacin

ESTRATEGIAS PARA EL DISEO DE BIORREACTORES EN

FUNCIN DE LOS FACTORES DETERMINANTES DEL

COSTO EN EL PROCESO

2) Materiales de partida

Maximizar la conversin del S Maximizar el rendimiento del P

ESTRATEGIAS PARA EL DISEO DE BIORREACTORES EN

FUNCIN DE LOS FACTORES DETERMINANTES DEL

COSTO EN EL PROCESO

3) Operacin del biorreactor

Maximizar la productividad volumtrica para minimizar el tamao del reactor

Optimizar las condiciones del reactor Maximizar la concentracin del catalizador

Maximizar la productividad especfica y rendimiento del producto (mejora de

cepa y optimizacin del medio de

cultivo)

ESTRATEGIAS PARA EL DISEO DE BIORREACTORES EN

FUNCIN DE LOS FACTORES DETERMINANTES DEL

COSTO EN EL PROCESO

4) Recuperacin del producto

Maximizar la concentracin de producto que abandona el reactor

Bioprocesos o tecnologa de las fermentaciones:

Clulas microbianas Clulas animales Clulas vegetales

Produccin de metabolitos primarios:

cido lctico cido actico Glicerol Acetona cidos orgnicos Aminocidos Vitaminas

Bioprocesos o tecnologa de las fermentaciones:

Produccin de metabolitos secundarios:

Penicilina Estreptomicina

Produccin de anticuerpos monoclonales, vacunas, protenas recombinantes

Bioprocesos o tecnologa de las fermentaciones:

Produccin de enzimas:

Exocelulares: amilasas, pectinasas, proteasas Intracelulares: invertasa, asparginasa

VENTAJAS DESVENTAJAS

Molculas complejas

(protenas) no son producidas

por mtodos qumicos

Fcil de contaminar

Rendimientos altos Separaciones complejas

Condiciones de

procesamiento estriles

Grandes volmenes de

agua

Reacciones catalticas Bioprocesos lentos

comparados con los

qumicos

No ismeros

Bioprocesos: produccin de compuestos

orgnicos

BIOPROCESOS

SUSTRATOS

REACCIONES BIOQUMICAS INTRACELULARES

BIOMASA

METABOLITOS

MACROMOLCULAS EXTRACELULARES

RELACIN DEL CRECIMIENTO MICROBIANO

CON LOS BIOPROCESOS

TIPO DE CLULAS TAMAO (m)

Bacterias 1 x 2

Levaduras 7 x 10

Animales 40 x 40

Plantas 100 x 100

Tres formas de crec MO en un medio:

Batch Fed-

Batch

Continuo

MO inoculados en un volumen fijo

Los nutrientes son consumidos

Productos (metabolitos y biomasa) son acumulados

Fases del crec. Microbiano?

Metabolitos crecen en la fase estacionaria:

antibiticos

Se detienen antes de la fase de muerte

BATCH.

FED-BATCH

Adicin graduada de nutrientes Aumenta el volumen Produccin de levadura de pan

CONTINUO

BIORREACTORES

No aspticos

Fermentaciones alcohlicas Tratamiento de residuos

Aspticos

Antibiticos Vitaminas Polisacridos Protenas recombinantes

El diseo constituye un desafo para la ingeniera de reactores y bioingeniera

BIORREACTORES

BIORREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJA

BIORREACTORES BIORREACTOR DE LECHO

EMPACADO CON

RECIRCULACIN

DEL MEDIO

BIORREACTORES

BIORREACTOR LECHO FLUIDIZADO

BIORREACTORES

BIORREACTOR CON AGITACIN

BIORREACTORES

BIORREACTOR TIPO TORRE

BIORREACTORES

DIGESTOR ANAEROBIO

DISEO DE BIORREACTORES

Sistema multifsico No contaminantes No evaporacin Cuidar los niveles de oxgeno Los parmetros: pH, Temperatura

DISEO DE BIORREACTORES

Todos los materiales que estn en contacto con el medio de cultivo o MO: anticorrosivos

No txicos: inhibicin del crecimiento Resistentes a la esterilizacin = vapor Las partes removibles no deben ser rgidas Inspeccin visual del medio

ACERO INOXIDABLE 316: pelcula de xido de cromo y molibdeno

ESCALAMIENTO

Biorreactores a escala laboratorio: 5 10 L Biorreactores a escala planta piloto: 100-10,000 L Biorreactores a escala industrial: 20,000 400,000 L

FUENTES DE CARBONO FUENTES DE NITRGENO

Glucosa: glucosa monohidratada,

almidn hidrolizado

Centeno

Lactosa: lactosa pura, suero de

leche

Harina de cacahuate

Almidn: harina de avena, de

cebada, de centeno de soya,

Harina de avena

Azcar: Melaza de betabel, de

caa, azcar morena o refinada

Suero de leche

Frmacos: medios especiales

MONITORIZACIN DE LA FERMENTACIN

FSICOS QUMICOS BIOLGICOS

TEMPERATURA pH Biomasa

PRESIN Oxgeno disuelto Enzima

PESO DEL REACTOR CO2 disuelto Composicin de la

biomasa: ADN, ARN,

PROTENA

NIVEL DEL LQUIDO Y DE

ESPUMA

Potencial redox VIABILIDAD

VELOCIDAD DEL AGITADOR Composicin del

gas de salida

Morfologa

POTENCIA CONSUMIDA Conductividad

CAUDAL DEL GAS Y DEL

MEDIO

Composicin del

medio

VISCOSIDAD DEL CULTIVO

CONTENIDO EN GAS

BIOSENSORES

Clulas inmovilizadas Biosensores: enzimas, anticuerpos y clulas para una variedad de sustratos y productos

Glucosa, sacarosa, etanol, cido actico, amoniaco, penicilina, urea, aminocidos

TRANSFERENCIA DE OXGENO

Fermentaciones aerobias Las molculas de oxgeno = resistencia al transporte = clulas

TRANSFERENCIA

Interior de la burbuja a interfase gas-lquido

MOVIMIENTO

Interfase gas-lquido

DIFUSIN

Pelcula lquida inmvil: rodea la burbuja

TRANSFERENCIA DE OXGENO

TRANSPORTE

Hacia el interior del fluido

DIFUSIN

Pelcula lquida inmvil: rodea a la clula

MOVIMIENTO

Interfase lquido-clula

TRANSFERENCIA DE OXGENO

DIFUSIN

La clula (partculas) La difusin del slido hasta

cada clula

TRANSPORTE

A travs del citoplasma hasta el lugar de la reaccin

TRANSFERENCIA DE OXGENO

EN UN FERMENTADOR

La mayor resistencia a la transferencia de oxgeno corresponde a la pelcula lquida que rodea las burbujas de gas

Aspectos a tomar en cuenta referentes al diseo y

operacin de fermentadores: transferencia de

oxgeno

Burbujas Agitacin: generalmente se usa para cultivos aerobios Adicin de aire (regulada) Tamao de la burbuja de aire

FERMENTADOR

Aspectos a tomar en cuenta referentes al diseo y

operacin de fermentadores: transferencia de

oxgeno

Agentes antiespumantes Protenas, cidos grasos, polisacridos Problemas: MO contaminantes, impide salida de gases y prdida de volumen

Anti-espumantes a base de slice

Aspectos a tomar en cuenta referentes al diseo y

operacin de fermentadores: transferencia de

oxgeno

Temperatura Afectan la solubilidad del oxgeno

Presin de gas y presin parcial de oxgeno Ley de Henry?

Fermentaciones

Aumento en la transferencia de materia

Aire enriquecido con oxgeno

Oxgeno puro

Aumento en la solubilidad

con aire comprimido

Aumento de costo Inhibicin por presiones parciales de oxgeno elevadas

PROCESOS DE SEPARACIN

Etapas fsicas despus de la fermentacin Proceso de recuperacin (downstream processing)

Proceso de recuperacin

Aislamiento Purificacin

PROCESOS DE SEPARACIN

PRODUCTO:

CLULAS AA VITAMINAS

A. ORGNICOS

ENZIMAS VACUNAS

SOLVENTES PROTENAS ANTICUERPOS

PROCESOS DE SEPARACIN

Depende de:

Tamao de la molcula

Complejidad qumica

metodologa adecuada?

EJEMPLO:

La planta Eli Lilly Produce insulina humana (Humulin) Aproximadamente 90% de las 200 operaciones son procesos de recuperacin

Son costosos

PROCESOS DE SEPARACIN

PROCESOS DE SEPARACIN

SEPARACIN DEL BIOREACTOR

FASE LQUIDA

FASE SLIDA

CONCENTRACIN O PURIFICACIN

PASOS PROCESOS DE SEPARACIN

SEPARACIN Filtracin

Centrifugacin

Floculacin

CONCENTRACIN Solubilizacin

Extraccin

Proceso trmico

Filtracin con membranas

Precipitacin

PURIFICACIN Cristalizacin

Cromatografa (por

intercambio inico o en gel)

Destilacin

DESHIDRATACIN Liofilizacin

Aspersin

Lecho empacado

FILTRACIN

CENTRFUGA

DE DISCOS

DISPERSIN DE CLULAS EN UN

HOMOGENEIZADOR DE ALTA PRESIN

CROMATOGRAFA

BIOPROCESS AND

BIOSYSTEMS

ENGINEERING