REAL ACADEMIA de INGENIERÍA MARTES de la RAI BIOTECNOLOGÍA INDUSTRIAL: BIORREFINERÍA

Transcripción

1 REAL ACADEMIA de INGENIERÍA MARTES de la RAI BIOTECNOLOGÍA INDUSTRIAL: BIORREFINERÍA BIOPROCESOS: DESARROLLO y CAMBIO de ESCALA Félix GARCÍA-OCHOA SORIA UNIVERSIDAD COMPLUTENSE de MADRID Con el patrocinio de Madrid, 24 de septiembre de 2013

2 APLICACIONES de la BIOTECNOLOGÍA SERVICIOS AGRICULTURA SALUD MEDIO AMBIENTE INGENIEROS AGRÓNOMOS MÉDICOS, FARMACÉUTICOS, BIOLÓGOS, QUÍMICOS INGENIEROS QUÍMICOS, CIENCIAS AMBIENTALES PRODUCTOS BIOTECNOLOGÍA BLANCA: INDUSTRAL CAMBIO de ESCALA INGENIEROS QUÍMICOS PRODUCCIÓN INDUSTRIAL BIOSENSORES INGENIEROS ELECTRÓNICOS, QUÍMICOS ANALÍTICOS, NANOTECNOLOGOS

3 PROCESO BIOTECNOLOGICO Acondicionamiento de Materias Primas (upstream) Conservación Enzimas y MOs Tampones y Medios (ph, comp.) Activación, Esterilización Transformación Bioquímica ENZIMAS o CÉLULAS Optimización de Medios Modelo Cinético del Proceso Transporte entre Fases Aislamiento y purificación de los Productos (downstream) Precipitación Filtración (micro, ultra, nano) Membranas selectivas Diálisis, electro-diálisis Cromatografía

4 BIOPROCESOS a ESCALA INDUSTRIAL ENZIMAS AMILASAS ISOMERASAS HIDRÓLISIS ALMIDÓN GLUCOSA en FRUCTOSA JARABES EDULCORANTES PROTEASAS LIPASAS CELULASAS DEGRADACIÓN PROTEÍNAS TRANSESTERIFICACIÓN DEGRADAC. LIGNO-CELULOSA DETERGENCIA BIO-DIESEL BIO-ETANOL GALACTOSIDASAS HIDRÓLISIS LACTOSA OLIGOSACÁRIDOS PRODUCTOS LACTEOS VALORIZACIÓN SUEROS ENZIMAS ESPECÍFICAS KITS ENZIMÁTICOS ANÁLISIS BIOQUÍMICOS ENZIMAS F. ORGÁNICA SÍNTESIS de MOLÉCULAS PRODUCTOS FARMACÉUTICOS

5 MICROORGANISMOS PROCARIOTAS: BACTERIAS MICROORGANISMOS EUCARIOTAS: MOHOS, LEVADURAS PRODUCCIÓN de ENZIMAS, ANTIBIÓTICOS, POLISACÁRIDOS, ESTEROIDES, AMINOÁCIDOS PROTEÍNAS, VACUNAS ANTIVIRALES, BIODESULFURACIÓN BIODEGRADACIÓN REMEDIACIÓN, ANTICUERPOS MONOCLONALES CÉLULAS VEGETALES y de MAMÍFERO ENZIMAS, DIGITOXINA, TAXOL, ANTICUERPOS MONOCLONALES INTERFERONES, INTERLEUKINAS, EPO, TPA, FACTOR VIII OBTENCIÓN de GMOs por INGENIERÍA GENÉTICA: Escherichia coli, Pseudomonas sp. Sacharomyces cerevisae, Pichia pastoris PRIMEROS PRODUCTOS OBTENIDOS por INGENIERÍA GENÉTICA: INSULINA HUMANA ( ) HORMONA del CRECIMIENTO ( ) ACTIVADOR TISULAR ( )

6 PRODUCTOS en DESARROLLO: PRODUCTOS TRANSGÉNICOS, PRODUCTOS VEGETALES NO ALIMENTARIOS Más de 300 MM de personas han usado ya más de 120 productos transgénicos: Insulina, Factor VIII, EPO, Hormona del crecimiento, vacunas antivirales, etc. En la FDA hay más 400 productos en ensayos clínicos para más de 200 enfermedades distintas. Más de 200 tests de diagnóstico basados en ACM (anticuerpos monoclonales) para SIDA, hepatitis, embarazo, etc. Se están desarrollando biopesticidas biodegradables y/o biocompatibles

7 TRANSFORMACIÓN BIOQUÍMICA BIO-REACTORES BIO-REACTORES ENZIMÁTICOS ENZIMA en DISOLUCIÓN ENZIMA INMOVILIZADA TANQUE AGITADO DISCONTINUO LECHO FIJO CONTINUO

8 BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS AIRE AIRE TANQUE AGITADO DISCONTINUO COLUMNA de BURBUJEO

9 BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS AIRLIFTS AIRE AIRE con RECIRCULACIÓN EXTERNA COLUMNAS de BURBUJEO con RECIRCULACIÓN INTERNA

10 BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS CULTIVO en CONTINUO MEDIO LÍQUIDO AIRE C, N X, P AIRE C, N TANQUE AGITADO LECHO FIJO con CÉLULAS INMOVILIZADAS

11 FENÓMENOS en un BIO- REACTOR REACCIÓN QUÍMICA: CINÉTICA DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL REACCIÓN SIMPLE (ENZIMÁTICA) RED COMPLEJA de REACCIONES METABOLISMO) TRANSFERENCIA de MATERIA ENZIMAS y/o CELULAS INMOVILIZADAS: Campo de Concentraciones en el Sólido MICROORGANISMOS: Transporte Gas-Líquido FLUIDODINÁMICA Sistemas Heterogéneos: Contacto entre Fases Sistemas Continuos: Tiempo de Residencia MICROORGANISMOS: STRESS HIDRODINÁMICO ESTRATEGIA ESTUDIO de los FENÓMENOS INDIVIDUALES ACOPLE de FENÓMENOS: MODELO MACROCINÉTICO SIMULACIÓN: TIPO de REACTOR y de OPERACIÓN

12 CAMBIO de ESCALA Experimentación Modelo Químico Bibliografía Estimación (Correlaciones) X Modelo Físico MODELO MICROCINÉTICO Tipo de Reactor Ecs. Conservación Fluidodinámica MODELO MACROCINÉTICO Experimentación? NO SI INDUSTRIAL SIMULACIÓN - ANÁLISIS DISEÑO - DIMENSIONADO DISEÑO REACTOR INDUSTRIAL

13 DESARROLLO y CAMBIO de ESCALA de BIOPROCESOS SELECCIÓN de la ENZIMA o del MICROORGANISMO CONSERVACIÓN de la ENZIMA o del MICROORGANISMO OPTIMIZACIÓN del MEDIO o TAMPÓN SELECCIÓN de CONDICIONES de OPERACIÓN: T, ph, O2 ESCALA LABORATORIO: MATRAZ, ERLENMEYER, TUBO de ENSAYO CONTACTO entre FASES DIFERENTE a ESCALA INDUSTRIAL MÉTODOS ESTADÍSTICOS: ALGORITMOS GENÉTICOS REDES NEURONALES DISEÑOS FACTORIALES OTROS DISEÑOS: ORTOGONALES SELECCIÓN del TIPO BIO-REACTOR y FORMA OPERACIÓN

14 BIOPROCESOS: FENÓMENOS en BIOPROCESOS ENZIMÁTICOS o con CÉLULAS REACCIÓN QUÍMICA: - ENZIMAS: REACCIÓN SIMPLE - con CÉLULAS: RED COMPLEJA de REACCIONES TRANSFERENCIA de MATERIA: INTERFASE - ENZIMAS en DISOLUCIÓN: Sistema homogéneo - ENZIMAS INMOVILIZADAS: Transporte L S - ENZIMAS en FASE ORGÁNICA: Transporte L L o G L S - CULTIVOS CELULARES: Sistema G L S G L FLUIDODINÁMICA - CONTACTO entre FASES: Tipo de BIORREACTOR - STRESS HIDRODINÁMICO u OXIDATIVO

15 MODELOS CINÉTICOS: diversa complejidad QUÉ INFORMACIÓN DA un MODELO CINÉTICO VELOCIDAD del PROCESO: - SIMULACIÓN OPERACIÓN(es): - ELECCIÓN TIPO de REACTOR - FORMA de OPERACIÓN - DIMENSIONADO del BIORREACTOR ELEGIDO INFLUENCIA de las VARIABLES: - TEMPERATURA (control) - MEDIO o SUSTRATOS: C, N, O (Cambio de Escala) IDEA del METABOLISMO: Actividades Enzimáticas

16 OTR-OUR (mol/l s) INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO OTR 10-5 OUR OTR OUR N (rpm) N ( r pm)

17 INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO OTR OUR OTR OUR OUR = OTR N ( r pm)

18 INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO OTR OUR OTR OUR OUR = OTR STRES N ( r pm)

19 INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO OTR OUR OTR OUR OUR = OURmax STRES N ( r pm)

20 CAMBIO de ESCALA AUMENTO (Scale-up) o DISMINUCIÓN (Scale-down) de TAMAÑO VARIABLE CRÍTICA: CONCENTRACIÓN de OXÍGENO CAMBIA CRITERIOS: por la AGITACIÓN por el CAUDAL de AIRE (BURBUJEO) por introducción de oxígeno puro Co 2 constante OTR constante P/V constante N.T constante

21 CAMBIO de ESCALA Ejemplo de resultados ESCALA D (m) H (m) Agitador T (m) 2 L 0,13 0,16 2-TPR 0, L 0,24 0,45 3-TPR 0, L 0,51 1,00 4-TPR 0,17 ESCALA P/V =cte (W/m 3 ) N (rpm) k L a 10 2 (s -1 ) N T (m/s) OTR max 10 6 (mol O 2 /L s) 2 L 300 2,1 1,7 4,4 20 L ,8 2,1 5,8 200 L 180 4,4 3,2 9,1 Al aumentar el tamaño, aumenta la altura, se ponen más agitadores, y de mayor tamaño

22 CAMBIO de ESCALA Ejemplo de resultados ESCALA D (m) H (m) Agitador T (m) 2 L 0,13 0,16 2-TPR 0, L 0,24 0,45 3-TPR 0, L 0,51 1,00 4-TPR 0,17 ESCALA k L a 10 2 (s -1 ) N (rpm) P/V =cte (W/m 3 ) N T (m/s) OTR max 10 6 (mol O 2 /L s) 2 L ,7 20 L 2, ,8 4,4 200 L ,5 Al aumentar el tamaño, aumenta la altura, se ponen más agitadores, y de mayor tamaño

23 GRACIAS por su ATENCIÓN