Fermentaciones Industriales
Docente:
Dr. Cavalitto, Sebastián
Dra. Luna, Flavia
Contenido:
Biotecnología y alimentos Biotecnología, definición. Breve reseña histórica. Productos y áreas de aplicación. Impacto socioeconómico. Estrategia de un proceso biotecnológico. Concepto de proceso fermentativo y biorreactor. Fermentaciones en medios líquidos y sólidos. La Biotecnología en la industria de alimentos. Los microorganismos en Biotecnología Aislamiento y selección de microorganismos. Técnicas de conservación y mejoramiento de microorganismos de interés industrial. Organismos recombinantes. Bacterias y hongos de interés en la industria de alimentos. Generalidades. Fisiología y metabolismo. Participación de los microorganismos en la elaboración de alimentos y como productores de insumos de la industria alimentaria. Generalidades, ejemplos. Estequiometría y energética del crecimiento microbiano Componentes fundamentales de un medio de cultivo. Fuente de carbono y energía, fuente de nitrógeno. Rendimiento celular. Composición elemental de la biomasa microbiana, regularidades. Carbono-mol, definición. Balance macroscópico de carbono. Grado de reducción y grado de reducción generalizado, cálculo, significado. Balance macroscópico de energía. Aplicación de la estequiometría al análisis de un cultivo. Formación de producto, criterios. Rendimientos máximos teóricos, cálculo y significado. Cultivos limitados por carbono y por energía. Efecto de la naturaleza de la fuente de nitrógeno sobre el rendimiento celular. Balance de entalpía, cálculo del calor producido en cultivos aerobios y anaerobios. Eficiencia energética del crecimiento. Distribución de la fuente de carbono y energía en biomasa, producto y energía. Cálculo, distintos métodos. Rendimiento celular en base al ATP, YX/ATP. Concepto. Generalidades. Relación del YX/ATP con el rendimiento macroscópico. Cinética del crecimiento microbiano Conceptos generales, velocidades volumétricas y específicas. Estudio de las cinéticas, balances en fase líquida y gaseosa. Fase líquida: Sustrato limitante, concepto. Ecuación de Monod. Constante de saturación, significado, valores usuales. Velocidad específica máxima de crecimiento, efecto del pH, temperatura y composición del medio de cultivo. Valores usuales. Inhibición del crecimiento, competitiva y no competitiva. Toxinas. Inhibición por sustrato y por producto. Expresiones cinéticas. Ecuaciones de Tessier y de Cantois. Cinética de consumo de fuente de carbono y energía. Ecuación de Pirt. Coeficiente de mantenimiento y rendimiento verdadero. Significado. Valores usuales. Efecto de la temperatura y presión osmótica sobre el mantenimiento. Variación del rendimiento celular con la velocidad específica de crecimiento. Metabolismo endógeno, diferencia con mantenimiento. Ecuación de Herbert. Modelo unificado. Crecimiento restricto, irrestricto, balanceado. Fase gaseosa: transferencia de oxígeno. Ley de Henry. Factores que afectan la solubilidad del oxígeno. Ecuación de transferencia, coeficiente volumétrico de transferencia (KLa). KLa, y fuerza impulsora. Significado. Factores que afectan el KLa, agitación, aireación, viscosidad, etc. Valores de KLa en distintos sistemas. Valores necesarios para distintos tipos de microorganismos. Consumo de oxígeno, expresión cinética. Concepto de concentración crítica. Efecto de la limitación de oxígeno sobre el crecimiento. Respuesta fisiológica de los microorganismos a la tensión de oxígeno disuelto. Sistemas de cultivo Batch (cultivo discontinuo o por lote). Fases de crecimiento, descripción, causas. Composición macromolecular. Modelo de Monod. Estimación de los distintos parámetros. Modelos derivados, efecto de: mantenimiento celular, tiempo de retardo, inhibición por sustrato y por producto. Inhibidores competitivos y no competitivos, efecto sobre la cinética. Acumulación de toxinas. Criterios para determinar la formación de inhibidores. Efecto de la limitación por oxígeno. Consecuencias. Aplicaciones del cultivo batch. Ventajas y limitaciones. Cultivo continuo. Esquema y generalidades. Velocidades de dilución crítica, significado. Estado estacionario. Limitación por fuente de carbono y energía, y otros nutrientes, diferencias. Variación de las velocidades específicas con la velocidad de dilución. Casos particulares, ej.: Efecto Crabtree. Criterios para determinar la existencia de estado estacionario; tiempo de retención, otros criterios. Efecto de inhibidores, distintos tipos. Inhibición por sustrato limitante. Estabilidad del estado estacionario. Limitación por oxígeno. Efecto de las perturbaciones, estados transitorios. Efecto de crecimiento sobre pared, flotación, etc. Cultivos mixtos. Posibilidad de coexistencia de dos especies. Aplicación del cultivo continúo. Productividad. Ventajas y desventajas. Cultivo continuo con reciclo, y en dos etapas. Ventajas y aplicaciones. Batch alimentado (cultivo discontinuo alimentado). Balance de materia. Distintos tipos de alimentación, criterios para diseñarla. Efecto del mantenimiento celular. Estado quasi-estacionario. Control de la alimentación por oxígeno disuelto, pH, cociente respiratorio, etc. Aplicaciones. Obtención de altas concentraciones celulares y de productos. Estrategia para distintas cinéticas. Ejemplos. Nutrición microbiana y medios de cultivo Macro y micronutrientes, función. Factores de crecimiento, función. Fuentes de C y N usuales. Asimilación de la fuente de N, regulación. Fuentes de uso industrial. Asimilación de S, P, K, Mg. Compuestos usuales, rendimientos. Micronutrientes, requerimientos, funciones. Disponibilidad. Agentes quelantes. Efectos causados por la deficiencia de micronutrientes. Factores de crecimiento, concentraciones usuales, efecto de la deficiencia. Actividad acuosa de los medios. Efecto sobre la velocidad específica de crecimiento. Estabilidad de los medios de cultivo. Reacciones durante la esterilización. Diseño y optimización de medios de cultivo. Esterilización Conceptos básicos y definiciones. Cinética de esterilización. Determinación experimental de la constante de velocidad específica de esterilización. Dependencia con la temperatura. Factor de reducción decimal “D”, factores “Q” y “Z”. Calor seco y calor húmedo. Uso de vapor en la esterilización de medios de cultivo, biorreactores y líneas en general. Esterilización en batch. Criterios empleados a nivel industrial. Alternativas de esterilización. Perfiles térmicos. Cálculo del tiempo de retención. Nivel de confianza en la esterilización. Método alternativo de cálculo. Esterilización en continuo. Ventajas y desventajas. Equipamiento utilizado. Perfiles térmicos. Presencia de medios con sólidos en suspensión. Diseño de un esterilizador continuo. Problemas relacionados con el mezclado imperfecto. Esterilización de fluidos por filtración. Mecanismos de retención de partículas. Filtración de fluidos líquidos y gaseosos: medios de cultivo y aire estéril para proceso. Filtros de membrana y cartuchos. Determinación de la eficiencia de retención de partículas. Evaluación del filtro: métodos destructivos y no destructivos. Materiales de construcción. Suministro de aire estéril para uso en laboratorios de microbiología. Equipamiento. Diseño de biorreactores Biorreactores: definición y clasificación. Influencia del microorganismo, medio de cultivo, transferencia de oxígeno y suministro de potencia en el diseño del biorreactor. Reactores ideales y reales. Criterios de diseño. Consideraciones generales. Materiales de construcción. Siembra de biorreactores y toma de muestra a gran escala. Procesos fermentativos en medios líquidos: biorreactores con agitación mecánica y neumática. Biorreactores con agitación mecánica. Relaciones geométricas. Patrones de flujo. Requerimientos de potencia en sistemas con y sin suministro de aire, en fluidos con comportamiento newtoniano y no newtoniano. Biorreactores con agitación neumática. Relaciones geométricas. Patrones de flujo. Suministro de potencia en fluidos con comportamientos newtoniano y no newtoniano. Procesos fermentativos en estado sólido: biorreactores estáticos y con agitación mecánica. Biorreactores estáticos. Criterios de diseño. Esterilización y siembra. Control de temperatura y humedad del sistema. Biorreactores con agitación mecánica. Características generales. Esterilización y siembra. Control de temperatura y humedad del sistema. Instrumentación y control de procesos fermentativos Conceptos básicos. Sistema de medida: elemento sensor primario; acondicionador de señal; transmisión de señal; analizador. Diferentes clases de sensores. Medidas on-line, in-line y off-line. Variables básicas para el monitoreo y control de procesos fermentativos. Control de procesos fermentativos, control feedback. Elemento final de control. Sistemas básicos de control. Control on/off. Control proporcional-integral y derivativo (PID). Otras alternativas. Control supervisado por ordenador. Control inteligente. Recuperación de productos Concepto de downstream processing. Etapas primarias de separación: remoción de insolubles: centrifugación, filtración, sistemas de membranas. Ruptura celular: métodos mecánicos químicos y biológicos. Concentración del producto: extracción, adsorción, evaporación, ultrafiltración, precipitación. Procesos de purificación de alta resolución: cromatografía de intercambio iónico, hidrofobicidad, fase reversa, tamiz molecular, afinidad. Métodos electroforéticos. Operaciones de acabado. Cristalización, secado. Formulaciones de productos biológicos. Criterios de selección del proceso de bioseparación. Cambios de escala. Tratamiento de desechos Conceptos generales. Caracterización de aguas residuales. Determinación de TOC, DBO, DQO, CQO. Biodegradabilidad. Límites máximos permitidos. Análisis de los efectos contaminantes en aguas naturales. Envenenamiento. Contaminación térmica. Modificaciones en el nivel de oxígeno disuelto. Eutroficación. Mecanismos de auto-purificación. Efluentes industriales. Caracterización, según distintos tipos de industrias. Muestreo. Análisis. Redistribución del flujo de aguas en planta. Estequiometría y cinética del tratamiento. Digestión anaeróbica, nitrificación y desnitrificación. Tratamiento primario. Transferencia de oxígeno en procesos de depuración aeróbica. Tratamiento biológico. Procesos avanzados. Procesos de nitrificación y desnitrificación. Eliminación de fósforo. Otros métodos de tratamiento. Lagunas de estabilización. Sistemas de película biológica. Medios de soporte. Lechos percoladores, parámetros de operación. Procesos anaerobios. Mecanismo de la digestión anaeróbica. Procesos de tratamiento anaerobio. Digestores. Lechos anaeróbicos empacados. Procesos anaeróbicos de contacto. Reactores USAB. Parámetros de operación. Biogas. Manipuleo y disposición de lodos. Tratamiento físico-químico. Coagulación y precipitación. Filtración. Intercambio iónico. Oxidación química. Electrodiálisis. Osmosis reversa. Clorinación. Control y monitoreo del tratamiento de lodos activados y de procesos de digestión anaeróbica. Estrategias.