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Análisis, diseño y optimización de reactores biológicos para diferentes aplicaciones biotecnológicas

Curso de Posgrado para el Doctorado en Ciencias Biológicas (FBCB-UNL).

Nombre: Análisis, diseño y optimización de reactores biológicos para diferentes aplicaciones biotecnológicas.

Directores: Dr. Horacio A. Irazoqui y Dr. Alejandro R. Trombert (coordinador del curso).

Equipo docente: Integrantes del GiiB (Grupo de Innovación en Ingeniería de Bioprocesos): Cátedra de Operaciones y Procesos Biotecnológicos de la Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas (FBCB-UNL) - Grupo de Operaciones y Procesos Biotecnológicos del Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (INTEC-UNL-CONICET): Horacio A. Irazoqui, Ph.D. - Dr. Alejandro R. Trombert - Lic. J. Miguel Heinrich - Lic. Fausto A. Botta - Lic. Ignacio Niizawa.
Docentes invitados del curso: Dr. Vanildo Luiz Del Bianchi (Universidade Estadual Paulista - UNESP). Docentes de la Cátedra de Operaciones y Procesos Biotecnológicos (FBCB-UNL): Dr. Guillermo A. Sihufe - Dra. María de los Milagros Ballari - Dr. Juan Manuel Peralta.

Objetivos:
El presente curso de posgrado pretende abarcar, de una forma integrada, sistemática y coherente, temáticas vinculadas con el análisis, diseño y optimización de reactores biológicos empleados en diferentes procesos de la industria biotecnológica. Se partirá de rever (con la profundidad de un curso de posgrado) algunos conceptos básicos del estudio de reactores biológicos. Sin embargo, el énfasis estará puesto en las aplicaciones concretas de ciertos tipos de biorreactores: foto-biorreactores, reactores de esterilización, enzimáticos y de fermentación en estado sólido.

Son objetivos del curso:

- Adquirir y aplicar conocimientos científicos y tecnológicos que permitan resolver situaciones problemáticas que involucren aspectos vinculados con el crecimiento de microorganismos en biorreactores y la producción de metabolitos.

- Desarrollar en el alumnado habilidades en la resolución de problemas de bioprocesos a través de su conceptualización, su representación con ecuaciones matemáticas, resolución y finalmente interpretación y análisis de resultados.

Perfil de los alumnos: Graduados en Biotecnología, Ingeniería o Licenciatura de Alimentos, Bioquímica, Biología, Ingeniería o Licenciatura en Química.

Fecha de iniciación: 30 de septiembre de 2013.

Carga horaria total y distribución horaria de las actividades:
80 horas totales: 48 hs teórico-prácticas, 18 hs de prácticas (laboratorio y gabinete computacional) y 14 hs (estudio independiente y evaluación)

Número de vacantes: Totales: 16 alumnos/as, de los cuales 13 serán seleccionados por el CABBIO (Centro Argentino-Brasileño de Biotecnología).

Requisitos de formación previa: Graduados en Biotecnología, Ingeniería o Licenciatura de Alimentos, Bioquímica, Biología, Ingeniería o Licenciatura en Química. Se requieren conocimientos de idioma inglés.

Programa analítico del Curso:

Clases teórico-prácticas:

ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS Y ENERGÉTICOS DEL METABOLISMO Y DEL CRECIMIENTO CELULAR
Responsable: Prof. Dr. Guillermo Adrián Sihufe.

Estequiometría del crecimiento celular y formación de productos. Sustratos, producción de biomasa y de productos primarios y secundarios. Compuestos estequiométricamente limitantes. Compuestos limitantes del crecimiento. Factores de rendimiento. Balances elementales para el crecimiento. Grados de reductancia. Energética de los procesos metabólicos. Estimación de la generación de calor y del rendimiento energético de procesos metabólicos. Estimación del calor en procesos biológicos mediante el uso de grados de reductancia.

ASPECTOS CINÉTICOS DEL METABOLISMO Y DEL CRECIMIENTO CELULAR
Responsable: Prof. Dr. Alejandro Raúl Trombert.

Cinética de formación de biomasa y productos. Balances de masa y energía en procesos biotecnológicos. Relevancia de los aspectos estequiométricos, energéticos y cinéticos en el diseño de biorreactores. Velocidad específica de formación de biomasa. Modelos cinéticos no estructurados. Modelos cinéticos estructurados. Modelos simples de compartimentalización. Cinética de formación de productos. Modelos no estructurados para la formación de productos.

BIORREACTORES IDEALES
Responsable: Prof. Dr. Alejandro Raúl Trombert.

Reactores Discontinuos y Continuos. Rectores ideales. Reactor tanque agitado ideal: operación en modos discontinuo y continuo. Hipótesis simplificatorias más comunes. Reactores semi-discontinuos ("semi-batch") con alimentación continua. Reactores continuos. Tiempo de residencia y tasa de dilución. El modelo de reactor ideal con flujo pistón. Balances de materia por componente.
Reactores Tanque Agitados en Estado Estacionario. Condición necesaria para la existencia de un estado estacionario para el caso de cinéticas no estructuradas. Condiciones de "lavado" ("wash-out") de un reactor continuo perfectamente agitado. Relación entre velocidad de formación de biomasa y consumo de sustrato limitante. Condiciones de máxima producción y de máximo rendimiento. La estabilidad del estado estacionario en reactores continuos. Quimiostato de Monod. Su aplicación para la determinación de parámetros cinéticos. Métodos de ajuste de parámetros.

BIORREACTORES REALES
Responsable: Prof. Dr. Horacio Antonio Irazoqui.

Reactores reales. Distribuciones de tiempos de residencia. Técnicas no invasivas: uso de trazadores. Diagnóstico de condiciones de mezclado deficiente en reactores agitados. Detección de corrientes de "by-pass", zonas estancas, etc.
Secuencia de reactores tanque perfectamente agitados. El reactor tubular de flujo pistón como caso límite. Reactor tubular con dispersión axial. Su simulación mediante una secuencia finita de reactores tanque perfectamente agitados. Coeficiente de dispersión axial y número de Peclet. Simulación de reactores no-ideales en base a reactores ideales combinados en diferentes arreglos.

FENÓMENOS DE TRANSPORTE EN REACTORES BIOTECNOLÓGICOS.
Responsable: Dra. María de los Milagros Ballari.

Etapas y etapas limitantes. Coeficientes de transferencia de materia en sistemas gas-líquido. Área interfacial específica. Coeficiente global de transferencia de materia. Modelos teóricos para la estimación del coeficiente de transferencia en la fase líquida. Estimación del área interfacial gas-líquido. Su relación con el tamaño de burbuja. Fenómenos intervinientes: formación, ruptura y coalescencia de las burbujas. Correlaciones empíricas y semi-empíricas para la estimación del kLa. Correlaciones en base a grupos adimensionales. Determinación de las necesidades de aireación estándar en reactores biológicos. Potencias de mezclado mínimas y máximas en biorreactores.

APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS:

FOTO-BIORREACTORES (FBRs)
Responsable: Lic. J. Miguel Heinrich.

Microalgas como sistemas modelo para el análisis y diseño de FBRs: Características biológicas de las algas microscópicas. Biodiversidad. Metabolismo y nutrición. Diferentes factores que influyen sobre el cultivo: temperatura, cantidad y calidad de luz. La radiación como sustrato: Su importancia en el diseño de Reactores. Relación entre Velocidad de Crecimiento y Radiación. La Radiación como un Continuo: Definición de Energía Radiativa, Intensidad de Radiación, Flujo Radiativo, Densidad de Energía Radiante, velocidad de absorción de energía radiante. Absorción y Dispersión de Radiación: In-scattering, Out-scattering, la Función de Fase. La Ecuación de Transferencia de Energía Radiante (RTE). Simulación del Campo Radiante por el método Monte Carlo. Aplicaciones (bio)tecnológicas de las microalgas: Producción de de biomasa y de metabolitos secundarios. Géneros y especies de mayor trascendencia económica. Microalgas en nutrición humana y animal, acuicultura, biofertilizantes, producción de biodiesel, hidrógeno y metano. Bio-remediación. Aplicaciones biotecnológicas de microalgas modificadas genéticamente.
Análisis de Foto-biorreactores (FBRs). Diferentes configuraciones de FBRs. Aspectos energéticos y cinéticos: Modelos cinéticos de crecimiento de la biomasa algal y formación de productos intracelulares para microalgas. Análisis matemático de las ecuaciones cinéticas. Parámetros cinéticos característicos. Fenómenos de transporte en FBRs: Suministro de dióxido de carbono y remoción de oxígeno.

REACTORES DE ESTERILIZACIÓN
Responsable: Prof. Dr. Guillermo Adrián Sihufe.

Muerte térmica de microorganismos. Su cinética. Su tratamiento probabilístico. Distribución de rangos de vida. Rango de vida promedio de un grupo de esporos. Esterilización discontinua. Sus etapas. Ecuaciones de los perfiles temperatura-tiempo en reactores de esterilización discontinua: calefacción indirecta con vapor, calefacción directa por inyección de vapor, etc. Ejemplos de cálculo. Esterilización continua. Ventajas y desventajas respecto de la discontinua. Calefacción directa e indirecta. Reactores de esterilización tubulares. Tiempos de residencia. Diseño y simulación en base a modelos de dispersión. Ejemplos de cálculo.

BIORREACTORES ENZIMÁTICOS
Responsable: Dr. Juan Manuel Peralta.

Breve revisión de conceptos fundamentales de cinética enzimática. Derivación de expresiones cinéticas a partir de diferentes mecanismos e hipótesis simplificatorias: etapa determinante y estado estacionario.
Enzimas inmovilizadas. Interferencia de los procesos de transferencia de materia (difusión) con la velocidad de reacción enzimática. Caso de la enzimas inmovilizadas en placas porosas. El número de Damköhler. Factor de efectividad.
Difusión y reacción enzimática en el interior de matrices porosas esféricas. Módulo de Thiele. El factor de efectividad y el módulo de Thiele.

REACTORES PARA FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO
Responsable: Prof. Dr. Vanildo Luiz Del Bianchi.

Introducción. Historia del bioproceso de fermentación en estado sólido. Microorganismos comúnmente utilizados. Sustratos: características y composición. Reactores: análisis, modos de operación y scaling up. Modelado. Controles del proceso. Ventajas y desventajas. Ejemplos de aplicación.

Clases de trabajos prácticos:

Se propone la realización de actividades prácticas de laboratorio y en gabinete informático.

Las actividades de laboratorio consisten en la realización de cultivos de microalgas en un FBR escala laboratorio. Durante el transcurso de las corridas experimentales se efectuarán periódicamente tomas de muestra para realizar determinaciones experimentales con el fin de obtener la información necesaria para analizar la influencia de distintos factores fisicoquímicos (calidad y cantidad de luz, nitrógeno, temperatura, entre otros) sobre el crecimiento de los cultivos y la formación de productos.

La secuencia de trabajo incluye:

- Montaje de dispositivos de cultivo (foto-biorreactores) escala laboratorio. Inoculación. Metodologías y técnicas analíticas para el seguimiento del avance de la reacción en las corridas experimentales.
- Verificación del régimen de mezclado en los reactores operados en forma semi-continua mediante técnicas de determinación de tiempos de residencia con trazadores inertes.
- Determinación de los parámetros que afectan la transferencia de materia en la interfase gas-líquido. Determinación del parámetro kLa para el CO2 y el O2.
- Modelado fisicoquímico de los medios de cultivo para el crecimiento de algas unicelulares de agua dulce (incluye actividades en gabinete informático).
- Modelado del campo radiante en el interior del reactor (medio participativo con absorción y dispersión). Incluye actividades en gabinete informático.
- Modelado matemático de las reacciones de propagación celular de las microalgas y de producción de metabolitos de interés.

Inscripciones
A través de CABBIO hasta el 16/8, a través del correo cabbio@mincyt.gov.ar

Más información
Coordinación de la Lic. en Biotecnología, te. (0342) 4575215 int. 119, correo atrombert@fbcb.unl.edu.ar

 

Tipo de curso: de carreras de Doctorado

Publicar hasta: 16/08/2013


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