UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA TEMUCO CHILE PROGRAMA DE ASIGNATURA I.- IDENTIFICACIÓN DE LA ASIGNATURA Asignatura : DISEÑO DE BIOREACTORES Carrera : Ingeniería Civil Industrial mención Bioprocesos (3080) Ingeniería Ambiental (3082)*, Ingeniería en Alimentos (3004)* Código : IIQ - 461 Horas : 3 1 4 Calidad : Obligatoria (*) electivo de especialidad Tipo de formación : Formación Especializada Carácter : Teórica - Práctica Ponderación : Teórico 75%, Práctico 25% Régimen : Semestral Curso : Año 4º, Nivel 8º (3080) Semestre impartido : Segundo Año académico : 2005 Requisitos : Fundamentos de microbiología (30) Departamento : Ingeniería Química Facultad : Ingeniería, Ciencias y Administración Horario : Martes 1 er -2º periodos (D-205) Jueves 5 º 6º periodos (RA-1004) II.- DESCRIPCIÓN DE LA ASIGNATURA Asignatura de formación especializada para la carrera de Ingeniería Civil Industrial mención Bioprocesos, y dictada como electivo de especialidad para las carreras de Ingeniería Ambiental e Ingeniería en Alimentos, que aborda los principios fundamentales de la cinética microbiana y enzimática para el diseño y operación de reactores bioquímicos, en una permanente asociación de estos conceptos con la actividad desarrollada en la industria de alimentos y en el tratamiento de residuos. La exposición de cada contenido estará acompañada 1
de prácticas en laboratorio y/o trabajos de revisión sobre temas y artículos de la especialidad. Tras una introducción básica a los aspectos relevantes de la conversión microbiana, se hace un análisis de diferentes modelos de bioreactores, presentando las bases para su diseño, asumiendo cinéticas sencillas y comportamiento hidráulico ideal. Esto permite la obtención de ecuaciones matemáticas aplicables para el análisis y diseño de las operaciones de diferentes configuraciones de bioreactores: discontinuo, lote alimentado y continuo. Se plantean los conceptos fundamentales de la catálisis enzimática con énfasis en la determinación de velocidades de conversión bajo diversas formas de inhibición, para luego aplicar este conocimiento en la estimación de parámetros operando con distintos tipos de reactores. III.- OBJETIVOS GENERALES Y ESPECIFICOS a) Objetivos generales: Al finalizar el curso los alumnos deberán comprender los mecanismos básicos de la cinética microbiana y enzimática, conocer las diversas modalidades de cultivo microbiano y los aspectos fundamentales de la transferencia de masa, momento y calor en fermentaciones. Los conocimientos anteriores serán las herramientas mínimas necesarias para estimar los parámetros básicos en el diseño de reactores bioquímicos. b) Objetivos específicos: 1. Cognitivos: Comprender los mecanismos básicos de la cinética microbiana y enzimática. Estimar parámetros básicos de reactores bioquímicos. Analizar los aspectos fundamentales de la transferencia de masa, momento y calor en fermentaciones. Conocer los diferentes métodos de cultivo microbiano y los aspectos relevantes de los equipos de fermentación en su diseño y operación. 2. Procedimentales: Fortalecer la capacidad de sintetizar información, identificando los aspectos relevantes dentro de una temática definida. Incentivar la integración de los conocimientos teóricos impartidos en la asignatura en la actividad productiva industrial. Presentar mecanismos de autoevaluación que permitan al alumno percatarse del aprendizaje logrado. Fortalecer al alumno en la presentación escrita de documentos técnicos y en la exposición de temas de la especialidad. Integrar el ejercicio práctico como herramienta esencial que complementa el ejercicio de aula. Introducir a los principios de la investigación científica aplicada. 3. Actitudinales: Incentivar el trabajo en equipo. Fortalecer el respeto a plazos y compromisos acordados. Desarrollar la capacidad de autoaprendizaje y la autonomía en la toma de decisiones basada en el análisis cuantitativo de los sistemas en estudio. Desarrollar una actitud crítica frente a temas de la especialidad, fomentando el respeto hacia la diversidad de pensamientos. Promover la generación de ideas y la gestión de iniciativas. 2
IV.- CONTENIDOS Unidad 1. Introducción Unidad 2. Cinética microbiana Introducción: microorganismos de interés industrial, cuantificación del crecimiento Requerimientos nutricionales: Estequiometría del crecimiento microbiano, consumo de sustratos y generación de productos. Concepto de rendimiento y diseño de medios de cultivo. Cinética de crecimiento microbiano Cinética de consumo de sustrato y formación de producto Unidad 3. Bioreactores discontinuos y continuos Introducción: Velocidad de reacción, definición y clasificación de reactores, modalidades de operación (batch, continua, semi-discontinua) Reactores ideales: Principios generales, ventajas y características comparativas Reactor discontinuo de tanque agitado Reactor continuo de tanque agitado (RCTA) Reactor continuo de flujo pistón (RCFP) Dinámica de sistemas Aspectos fisiológicos y de operación Unidad 4. Reactores no convencionales Operación discontinua secuencial: Principios, características, ventajas, aplicaciones, ecuaciones de diseño. Reactor secuencial por cargas (SBR) Cultivo por lote alimentado (Fed-batch) Reactores con biomasa inmovilizada: Principios, características, ventajas, aplicaciones, ecuaciones de diseño. Unidad 5. Fenómenos de transmisión en bioreactores Transporte de materia y oxígeno: fenómenos de transporte Requerimientos energéticos Cálculos de aireación y agitación Condiciones isotermas de operación Unidad 6. Bioreactores enzimáticos Cinética enzimática: Michaelis-Mentem, inhibición, reacciones múltiples y reacciones con más de un sustrato, enzimas inmovilizadas. Reactores enzimáticos: reactores discontinuos, reactores continuos de tanque agitado (RCTA), reactores de flujo pistón (RFP). Ventajas, características y aplicaciones. Ecuaciones de diseño Unidad 7. Unidad de integración Experiencias prácticas de laboratorio Curva de crecimiento, operación de un quimiostato, determinación de k L a. Cálculos por computador Empleo de programas de simulación Seminario Trabajo de investigación basado en una revisión bibliográfica o en el análisis de una publicación. 3
V.- RECURSOS METODOLÓGICOS Clases teóricas expositivas, resolución de ejercicios y desarrollo de trabajos grupales teórico-prácticos relacionados con temas de la especialidad. En complemento a lo anterior, se incluyen actividades prácticas de laboratorio. VI.- EVALUACIÓN Se realizarán tres pruebas parciales que abarcarán todos los contenidos impartidos a través de las unidades expuestas anteriormente; el promedio de ellas tendrá una ponderación de 80% de la nota final. El promedio de notas de trabajos grupales, ejercicios, tareas, prácticos de laboratorio y exposiciones orales tendrá una ponderación de 20% de la nota final. La asignatura teóricopráctica se aprueba en su conjunto. 1 era prueba Martes 13 de septiembre (Unidades 1, 2 y 3) 2 da prueba Martes 18 de octubre (Unidades 3, 4 y 5) 3 era prueba Jueves 17 de noviembre (Unidades 5 y 6) Pruebas recuperativas Jueves 24 de noviembre Examen de repetición Martes 27 de diciembre (09:30 hrs.) Trabajos prácticos: Estas fechas serán informadas al comenzar el semestre. Los alumnos reprobados con nota igual o superior a 3,6 tendrán derecho a un examen de repetición, conforme establece el Reglamento de Régimen de Estudios de pre-grado de la Universidad de La Frontera. La inasistencia a alguna de las pruebas parciales, en forma debidamente justificada, podrá recuperarse rindiendo una prueba recuperativa de esa materia. No se exigirá asistencia mínima, conforme establece el Reglamento de Régimen de Estudios de pre-grado, exceptuando las actividades prácticas, salidas a terreno o trabajos de seminario, cuya inasistencia debe ser debidamente justificada en la Dirección de Carrera correspondiente, evitando así su sanción en la calificación respectiva. VII.- HONESTIDAD ACADÉMICA Los estudiantes deben recordar que el engaño, a través de la fabricación o falsificación de datos o el plagio, es una ofensa al estudiante mismo, a sus compañeros, al Profesor y a los procedimientos disciplinarios de la Universidad. Si el estudiante engaña, no aprenderá las cosas que debería saber y que serían los conocimientos necesarios a fin de cautelar una buena formación académica para su futura vida laboral. Podrá engañar en las pruebas, pero no podrá engañar a la vida, es decir se engaña a si mismo; 4
adicionalmente proyectará una imagen distorsionada de la Universidad que lo formó. El plagio en presentaciones orales, escritas o visuales es la presentación de un trabajo, idea o creación de otra persona, sin la apropiada referencia. En esta asignatura no se aceptará el engaño ni el plagio, y el estudiante que lo cometa se arriesga a sanciones académicas variadas, desde calificación con la nota mínima, hasta el envío de una carta de amonestación al Director de la Carrera, para que sea incorporada en la hoja académica del estudiante. VIII.- BIBLIOGRAFIA a) Básica 1. ACEVEDO, F., GENTINA, J.C., ILLANES, A. (eds) (2002) Archivos de Ingeniería Bioquímica: Fundamentos de Ingeniería Bioquímica. Ediciones Universitarias de Valparaíso. Universidad Católica de Valparaíso. ISBN 956-17-0325-4. Valor referencial: $ 14.000 *Texto guía del curso* (2002; 660.63 F981f) 2. BAILEY, J. E & OLLIS, D. F. Biochemical Engineering Fundamentals. McGraw- Hill Book Company, New York. (1986; 660.63 B154b2, 660.63 B154b) 3. SHULER, M. & KARGI, F. (1992) Bioprocess Engineering: Basic Concept. Prentice Hall, New Jersey. (1992; 660.6 S562b) 4. PREAVE, P. (1992) Basic biotechnology: a student s guide. VCH, New York. (1987; 660.6 B311b) b) Complementaria 1. AIBA, S., HUMPHREY, A., MILLIS, N. (1973) Biochemical Engineering. Ed. Academic Press. 2. WANG, D., COONEY, C., DEMAIN, A., DUNNILL, P., HUMPHREY, A., LILLY, M. (1979) Fermentation and Enzyme Technology. Ed. Wiley & Sons. 3. LEE, B. H. Fundamentos de biotecnología de los alimentos. Acribia, Zaragoza. (1996; 664.024 L477f) 4. JACKSON, A.T. (1990) Process Engineering in Biotechnology. Open University Press. 5. SCRAGG, A. (ed.) (1999) Biotecnología para ingenieros: sistemas biológicos en procesos tecnológicos. Editorial Limusa S.A., México. 6. GARCÍA, M., QUINTERO, R., LÓPEZ-MUNGUÍA, R. (eds) (1999) Biotecnología Alimentaria. Editorial Limusa S.A., México. 7. BLANCH, H. & CLARK, D. (1996) Biochemical engineering. Marcel Dekker INC., New York. 8. GODIA, F. & LÓPEZ, J. (eds) (1998) Ingeniería Bioquímica. Editorial Síntesis S.A., Madrid. 9. MARX, J. L. A revolution in biotechnology. Cambridge University, New York. (1989; 660.6 R454r) Disponible en biblioteca personal del profesor asignado 5