PROCESOS BIOTECNOLOGICOS I Area Fisicoquímica (Plan de estudios 2007) TEORICOS 2011 SEGUNDO CUATRIMESTRE Responsable del dictado: Prof. Asociado G. Picó 1 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 + Aprobar Parcial I y II o sus recuperatorios 2 1
BIBLIOGRAFIA 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 - 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 - 3 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. Integrar las OPERACIONES UNITARIAS entre si. 4 2
1915 OPERACIONES UNITARIAS: INGENIERIA QUIMICA OBTENCION DE GRANDES CANTIDADES DE MOLECULAS DE BAJO PESO MOLECULAR FISICOQUIMICA Aporta las leyes y Ecuaciones de Estado 1930 1950 OBTENCION DE GRANDES CANTIDADES DE MACROMOLECULAS Insulina, Proteínas plasmáticas, quimosina, etc. 1980 MODIFICACION GENETICA DE MICRO ORGANISMOS OBTENCION DE FUENTES INAGOTABLES DE ENZIMAS Y OTRAS MACROMOLECULAS Se incorpora la BIOLOGIA a las operaciones unitarias BIOPROCESOS 5 Cómo se estudian los Procesos Biotecnológicos en cualquier Universidad? PROCESOS BIOTECNOLOGICOS MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL (fermentación) PROCESOS DE SEPARACION (downstream processing) Molécula de interés 6 3
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. 7 OBTENCION DE UNA SUSTANCIA EN EL LABORATORIO Masas o volumenes de reactivos muy pequeños: 1 100 1000 ml (g) Los tiempos no importan (muchas veces son largos o estan fraccionados en días Recipientes empleados: los clásicos que conocemos de vidrio No se calculan costos 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 tiempos SI importan Los ciclos deben durar poco tiempo y son continuos Los recipientes no son los de laboratorios Los costos ($) SI importan!!!! El producto a obtener representa masa de miles de g, Kg 8 4
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? 9 Cómo pasamos del laboratorio a la macro escala? que hago? 10 5
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: 11 Fundamento teórico del escalado 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?? Geométrica Cinética Dinámica Térmica Química 12 6
Suponiendo dos mezcladores de 1 L y otro de 1000 L C 1 V 1 H 1 a a 1 2 = cte b F 2 C 2 V 3 H 2 b1 V 4 V 2 F 3 a1 F 4 1 L a 1000500 L L F 1 Similaridad geometrica: cuando sus medidas mantienen una relación constante 13 Similaridad cinemática: V V 1 2 = cte Similaridad dinámica: F1 F 3 = cte C 1 H 1 Similaridad térmica: b V 1 F 2 b1 C 2 V 3 V 4 H 2 H H 1 2 = cte V 2 F 3 F 4 a1 1 L F 1 a 500 L Similaridad química: C C 1 2 = cte 14 7
Similaridad geométrica NO se cumple el principio de similaridad geométrica Diámetro 1000 veces mayor 100 m!!! h= 12,7 cm Diámetro 10 cm h= 121 cm Valor de diámetro normal Diámetro 100 cm 15 Similaridad calórica Flujo de Q Flujo de Q Volumen total 1 L 1 kcal / L Calor total 1 kcal Superficie 477 cm 2 H = 2 cal/cm 2 Volumen total 1000 L 1 kcal / L Calor total 1000 kcal Superficie 45844 cm 2 H = 21,8 cal / cm 2 16 8
Similaridad dinámica Potencia 20W Relacion de Potencia = = Volumen 1L Potencia 20000W X 1000 = Volumen 1000 L Imposible de obtener 17 Hay similaridades geometricas, pero... En muchos casos el principio de similaridad no se cumple... 18 9
El mezclado de sustancias... Agitador de mesa de laboratorio Agitador industrial 19 Fase I Fase II Gotas distribuidas uniformemente y de diametro constante Gotas distribuidas no uniformemente y de diametro variable Las burbujas tienen tendencia a moverse por gravedad ascendiendo por la fase liquida 20 10
La transferencia de calor... 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 21 Conclusión los 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. 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 22 calidad que los empleados en el proceso de laboratorio. 11
El escalado de los procesos: un un largo camino LABORATORIO 1-5 L ESCALADO INDUSTRIAL 100.000 L PLANTA PILOTO 100-500 L 23 VENTAJA DE LA PLANTA PILOTO: - Muestra el rendimiento del proceso en escala intermedia. - Muestra el comportamiento de las variables al pasar a la escala piloto. - Permite evaluar los residuos. - Evalúa el costo de reactivos. - Este ensayo es mas económico, si hay errores o hay que entrenar personal. 24 12
EL CAMINO GENERAL DE UN PROCESO DE OBTENCION DE UNA MOLECULA Materias Primas o Reactivos Transformación Química Transformación Física Productos Operaciones Unitarias Producto final Reactor Químico o Fermentador Residuos 25 OPÉRACION UNITARIA QUE ES? (OPERACION BASICA) Concepto introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of Technology. "... todo proceso químico puede descomponerse en una serie ordenada de pasos, que pueden llamarse operaciones unitarias, como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación, destilación, etc. " El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso determinado." 26 13
Operaciones unitarias que forman un proceso de obtención de una sustancia trituración filtración destilación 27 Las 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 las OU es obtener una molécula a partir de un ser vivo tendremos un PROCESO BIOTECNOLOGICO Operacion Unitaria DESTILACION Mosto fermentado ETANOL Petroleo Diferentes fracciones de hidrocarburos Si el objetivo de las OU es obtener una molécula a partir de sustancias químicas tendremos un PROCESO INDUSTRIAL 28 14
EJEMPLO: producción de insulina recombinante 29 DIAGRAMAS DE FLUJO Esquema simple que describe un proceso quimico, detallando cuales son las operaciones unitarias. EJEMPLO: EXTRACCIÓN DE ACEITE DE POROTO DE SOJA 30 15
En cada operación unitaria se cambian las condiciones de la materia, ya sea: 1. Modificando su masa o composición 2. Modificando el nivel y la calidad de la energía que posee 3. Modificando su cantidad de movimiento 31 Siempre hay una fuerza conductora debido a un gradiente en una variable fisica Gradiente de Temperatura Fuerza G J = D φ x φ = G, P, T presión 32 16
Clasificación de las OU, según la propiedad que se transfiere FLUJO CALOR A TRAVES DEL SISTEMA Dehidratación Congelación Liofilización Esterilización Cantidad de calor: Evaporación Pasteurización Cristalización Secado 33 Flujo forzado de materia a tavéz de un medio o barrera O. U. de TRANSFERENCIA DE MATERIA Destilación Absorción Secado Adsorción Cristalización Liofilización Osmosis Inversa 34 17
Clasificación de las OU, según la propiedad que se transfiere FLUJO FORZADO DE MATERIA A TRAVES DE UN MEDIO O BARRERA Cantidad de movimiento: Sedimentación Filtración Ultrafiltración Osmosis inversa Mezcla Centrifugación Emulsificación 35 Flujo forzado de materia a tavéz de un medio o barrera O. U. DE CAMBIO EN LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO Sedimentación Filtración Ultrafiltración Osmosis Inversa Mezcla Centrifugación Emulsificación Flotación 36 18
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 37 2. Transferencia de calor: CONDUCCION, CONVECCION: EL GRADIENTE ES LA TEMPERATURA FLUJO DE ENERGÍA COMO CALOR Vapor de disolvente CALOR ALIMENTO Disolución concentrada Vapor de agua Condensado 38 19
3. Transferencia de cantidad de movimiento. ROZAMIENTO: EL GRADIENTE ES LA VELOCIDAD Operación básica controlada por la transmisión de movimiento alimento Liquido clarificado lodos 39 CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS SEGUN SU APLICACION 1 SEPARACION Procesos industriales + 2 CONSERVACION Procesos biológicos 40 20
1. OPERACIONES DE SEPARACION ABSORCION ADSORCION MICRO FILTRACION ULTRA FILTRACION EXTRACCION DESTILACION OSMOSIS INVERSA CRISTALIZACION EVAPORACION SEDIMENTACION LIXIVIACION CENTRIFUGACION 41 2. OPERACIONES DE ESTABILIZACION O CONSERVACION CONGELACION LIOFILIZACION CRISTALIZACION DESHIDRATACION SECADO ESTERILIZACION PASTEURIZACION ESCALDADO 42 21
43 Fisicoquímica de los fenomenos de superficie Operación Unitaria Ley Fisica o Fisicoquímica Ecuación de estado Flotación Ecuacion de Dupre ΔG = (cosφ 1 ) Emulsificación Sedimentacion Adsorción Cromatografia Energía libre de formación de una emulsión Velocidad de sedimentacion: ley de Stokes Isotermas de adsorción: Langmuir y Freunlich Isoterma de adsorcion de Langmuir y Freunlich flotación emulsificación γ GL ΔG = ΔAγ Vs = 2g( ρs ρ Cρ n nkc = w 1+ Kc ; n nkc = w 1+ Kc ; agua WO TΔS Vol A particula n b = ac w n b = ac w Fisicoquímica de los cambios de fases Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Destilación Equilibrio entre fases: liquido- vapor o P = P x -Ley de Raoult Congelación Equilibrio entre fases: sólido- Δ T = Kcm líquido - Propiedades coligativas Cristalización Equilibrios entre fases: sólido- ln S = f ( ph, T, etc) liquido, solubilidad vs temperatura, S: solubilidad ph, fuerza iónica Desecación Equilibrio entre fases: vapor- solido a 1 a( C 1 = + 1 a W W C W W ) Isoterma BET ( ) C W m m S Osmosis Inversa Propiedades coligativas π = RT c 44 22
Fisicoquímica de los sistemas en equilibrio Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Extracción liquido - Reparto de un soluto entre dos fases [ S] fase1 líquido inmiscible K = [ S] Lixiviación Reparto de un soluto entre dos fases inmiscibles [ S] K = [ S] fase 2 fase1 fase 2 Fisicoquímica de las soluciones de macromoléculas Operación Unitaria Ley Fisica o fisicoquímica Ecuación de estado Micro filtración Presión Osmótica π = RT c Crioprotección Equilibrio entre fases solida y liquida: eutécticos Ultrafiltración Presión Osmótica π = RT c 45 PRODUCCION DE UNA MOLECULA A PARTIR DE UN MICROORGANISMO O PRODUCTO NATURAL LAS OPERACIONES UNITARIAS EN LOS PROCESOS BIOTECNOLOGICOS ERITROPOYETINA MICROBIANA QUIMOSINA DE LEVADURA O ECHERICHIA COLI FACTOR IX DE COAGULACION, 46 HORMONA DEL CRECIMIENTO EN LECHE DE VACAS TRANSGENICAS 23
FUENTE BIOLOGICA MOLECULA DE INTERES CONTENIDA EN SISTEMA COMPLEJO PRODUCCION DE LA BIO MOLECULA OPERACIONES UNITARIAS DE AISLAMIENTO Y PURIFICACION Downstream processing FILTRACION- ABSORCION EXTRACCION ADSORCION (CROMATOGRAFIAS) OSMOSIS, ETC. OPERACIONES UNITARIAS DE ESTABILIZACION DEL PRODUCTO FINAL CONCENTRACION LIOFILIZACION ADICION DE SOLUTOS CRISTALIZACION, ETC. 47 Veamos algunos ejemplos de procesos biotecnológicos INDUSTRIA LACTEA FUENTE BIOLOGICA LECHE Donde se produce el proceso biológico FILTRACION CENTRIFUGACION PASTEURIZACION + Leche 3 % grasa GRASA ($) MICRONIZACÍON Globulos de grasas uniforme Todos procesos físicos 48 24
OBTENCION DE ETANOL FERMENTACION DE AZUCARES FINALIZA CUANDO LA [ETANOL] = 12-14 % v / v (Parte química del proceso) Todos procesos físicos DESTILACION DEL AZEOTROPO (Parte física del proceso) Etanol absoluto (Eliminación del 4 % de agua) 49 25