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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 APLICACIONES de la BIOTECNOLOGÍA SERVICIOS INGENIEROS AGRÓNOMOS AGRICULTURA MÉDICOS, FARMACÉUTICOS, BIOLÓGOS, QUÍMICOS SALUD MEDIO AMBIENTE PRODUCTOS INGENIEROS QUÍMICOS, CIENCIAS AMBIENTALES BIOTECNOLOGÍA BLANCA: INDUSTRAL INGENIEROS QUÍMICOS CAMBIO de ESCALA PRODUCCIÓN INDUSTRIAL BIOSENSORES INGENIEROS ELECTRÓNICOS, QUÍMICOS ANALÍTICOS, NANOTECNOLOGOS PROCESO BIOTECNOLOGICO Acondicionamiento de Materias Primas (upstream) Transformación Bioquímica Aislamiento y purificación de los Productos (downstream) Conservación Enzimas y MOs Tampones y Medios (pH, comp.) Activación, Esterilización ENZIMAS o CÉLULAS Optimización de Medios Modelo Cinético del Proceso Transporte entre Fases Precipitación Filtración (micro, ultra, nano) Membranas selectivas Diálisis, electro-diálisis Cromatografía BIOPROCESOS a ESCALA INDUSTRIAL ENZIMAS AMILASAS ISOMERASAS HIDRÓLISIS ALMIDÓN GLUCOSA en FRUCTOSA PROTEASAS LIPASAS CELULASAS DEGRADACIÓN PROTEÍNAS TRANSESTERIFICACIÓN DEGRADAC. LIGNO-CELULOSA GALACTOSIDASAS HIDRÓLISIS LACTOSA OLIGOSACÁRIDOS JARABES EDULCORANTES DETERGENCIA BIO-DIESEL BIO-ETANOL PRODUCTOS LACTEOS VALORIZACIÓN SUEROS ENZIMAS ESPECÍFICAS KITS ENZIMÁTICOS ENZIMAS F. ORGÁNICA SÍNTESIS de MOLÉCULAS ANÁLISIS BIOQUÍMICOS PRODUCTOS FARMACÉUTICOS 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 (1978-82) HORMONA del CRECIMIENTO (1979-85) ACTIVADOR TISULAR (1982-87) 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 TRANSFORMACIÓN BIOQUÍMICA BIO-REACTORES ENZIMÁTICOS ENZIMA en DISOLUCIÓN ENZIMA INMOVILIZADA TANQUE AGITADO DISCONTINUO LECHO FIJO CONTINUO BIO-REACTORES BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS AIRE AIRE TANQUE AGITADO DISCONTINUO COLUMNA de BURBUJEO BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS AIRE AIRLIFTS AIRE COLUMNAS de BURBUJEO con RECIRCULACIÓN EXTERNA con RECIRCULACIÓN INTERNA BIO-REACTORES con MICROORGANISMOS CULTIVO en CONTINUO MEDIO LÍQUIDO AIRE C, N X, P AIRE C, N TANQUE AGITADO LECHO FIJO con CÉLULAS INMOVILIZADAS 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: ESTRATEGIA STRESS HIDRODINÁMICO ESTUDIO de los FENÓMENOS INDIVIDUALES ACOPLE de FENÓMENOS: MODELO MACROCINÉTICO SIMULACIÓN: TIPO de REACTOR y de OPERACIÓN CAMBIO de ESCALA Experimentación Modelo Químico MODELO MICROCINÉTICO X Bibliografía Estimación (Correlaciones) Modelo Físico Tipo de Reactor Ecs. Conservación Fluidodinámica MODELO MACROCINÉTICO NO Experimentación ? SI INDUSTRIAL SIMULACIÓN - ANÁLISIS DISEÑO - DIMENSIONADO DISEÑO REACTOR INDUSTRIAL 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 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 FLUIDODINÁMICA G–L - CONTACTO entre FASES: Tipo de BIORREACTOR - STRESS HIDRODINÁMICO u OXIDATIVO 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 INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO -5 OTR 10 OTR OTR-OUR (mol/L·s) OUR -6 10 OUR -7 10 -8 10 0 100 200 300 400 500 600 N (rpm) N ( r pm) INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO OTR OUR OTR OUR OUR = OTR N ( r pm) INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO OTR OUR OTR OUR OUR = OTR STRES N ( r pm) INFLUENCIA TRANSPORTE-CONSUMO de OXÍGENO OTR OUR OTR OUR OUR = OURmax STRES N ( r pm) CAMBIO de ESCALA AUMENTO (Scale-up) o DISMINUCIÓN (Scale-down) de TAMAÑO VARIABLE CRÍTICA: CONCENTRACIÓN de OXÍGENO CAMBIA por la AGITACIÓN por el CAUDAL de AIRE (BURBUJEO) por introducción de oxígeno puro CRITERIOS: Co2 OTR P/V N.T constante constante constante constante CAMBIO de ESCALA ESCALA D (m) H (m) Ejemplo de resultados Agitador T (m) 2L 0,13 0,16 2-TPR 0,054 20 L 0,24 0,45 3-TPR 0,10 200 L 0,51 1,00 4-TPR 0,17 P/V =cte (W/m3) N (rpm) kLa·102 (s-1) N·T (m/s) OTRmax·106 (mol O2/L·s) 300 2,1 1,7 200 2,8 2,1 4,4 5,8 180 4,4 3,2 9,1 ESCALA 2L 20 L 200 L 245 Al aumentar el tamaño, aumenta la altura, se ponen más agitadores, y de mayor tamaño CAMBIO de ESCALA ESCALA D (m) H (m) Ejemplo de resultados Agitador T (m) 2L 0,13 0,16 2-TPR 0,054 20 L 0,24 0,45 3-TPR 0,10 200 L 0,51 1,00 4-TPR 0,17 kLa·102 (s-1) N (rpm) P/V =cte (W/m3) N·T (m/s) 300 245 1,7 170 110 1,8 140 105 2,5 ESCALA 2L 20 L 200 L 2,1 OTRmax·106 (mol O2/L·s) Al aumentar el tamaño, aumenta la altura, se ponen más agitadores, y de mayor tamaño 4,4 GRACIAS por su ATENCIÓN
