Unidad 1: Fundamentos de Operaciones Unitarias PDF

Unidad 1: Fundamentos de operaciones unitarias Introducción a las Operaciones Unitarias en Bioprocesos Material elaborado por: Cecilia León Introducción La biotecnología se refiere a toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológi...

Unidad 1: Fundamentos de operaciones unitarias Introducción a las Operaciones Unitarias en Bioprocesos Material elaborado por: Cecilia León Introducción La biotecnología se refiere a toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados en la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos. La microbiología industrial se ocupa de las aplicaciones industriales de los microorganismos para obtener un producto útil al hombre. Los desarrollos científicos y tecnológicos crecientes sobre la estructura y transformaciones de los materiales biológicos han puesto de actualidad esta área, no solo por los nuevos productos o transformaciones, sino también por la aplicación de estos conocimientos a procesos tradicionales, de miles de años o de décadas. La biotecnología tiene aplicaciones en los campos agrario, de la salud, del medio ambiente, marino.... y en procesos industriales, la denominada biotecnología industrial (BI) o blanca. Las plantas biotecnológicas, donde hay organismos vivos involucrados en la producción, el control de las variables fisicoquímicas del medio debe ser estricto para garantizar su viabilidad y desarrollo. Operación La finalidad Unitaria es cubrir Se entiende por operación unitaria al proceso físico utilizado para cambiar o necesidades transformar la de la Materia Prima en un producto de interés que posee características diferentes. sociedad La transformación se logra (consumidore s) modificando: - La masa - La cantidad de energía - Velocidad de reacción Manteniendo presente la Ley de conservación de la masa, Ley de conservación Las de la energía y Ley de conservación de la cantidad de movimiento necesidades varían en el tiempo, esto Químicas hace variar las Operaciones Según las etapas tecnologías unitarias Biológicas individuales en los también industriales que se dividan los procesos Físicas Operaciones unitarias en base a: 1. Transferencia de masa: se da cuando entran en contacto dos fases con diferente composición una de la otra y se produce una difusión de un componente en el seno de una de las mezclas, ejemplos: destilación, la extracción líquido-líquido, evaporación, intercambio iónico, secado, humidificación y extracción sólido líquido 2. Transmisión de calor: es de suele aplicar a varios procesos en el cual existe un mecanismo dominante que se lo conoce como la transferencia de calor, controlados por gradientes de temperaturas. Ejemplos: evaporación, conducción, radiación y convección 3. Cantidad de movimiento: operaciones que estudian los procesos en que se ponen en contacto dos fases líquidos y gases que  Conducci ón Convecci ón Radiación Conducción: transferencia de calor que fluye de en sentido decreciente de temperaturas y no existe movimiento microscópico de materia Convección: flujo entálpico asociado a un fluido en movimiento, se le denomina flujo convectivo de calor. La convección puede ser natural o forzada Radiación: transmisión de energía mediante ondas electromagnéticas. No se necesita un medio material para su transmisión. Transferencia de masa Transferencia de calor Métodos de trabajo en las Operaciones Unitarias Régimen Operación Estacionario Discontinua No Continua estacionario Semicontinu a Régimen estacionario: se refiere a cuando todas las variables físicas permanecen constantes e invariables con el tiempo, en cualquier punto del sistema. Varían de un punto a otro Régimen No estacionario: es cuando las variables intensivas características de la operación no sólo pueden variar a través del sistema en cada momento, sino que las correspondientes a cada punto del Operaciones Unitarias Discontinuas, Continuas y Semicontinuas Operaciones unitarias discontinuas: Son aquellas en que la carga de la materia prima se hace en el equipo y después de realizarse la transformación se descargan los productos obtenidos. También se le denomina operaciones por cargas o intermitentes. Las etapas de este proceso son: 1. Carga del aparato con materias primas 2. Preparación de las condiciones para la transformación 3. Transformación requerida 4. Descarga de productos 5. Limpieza del aparato La operación discontinua se realiza en régimen No estacionario Operaciones Unitarias Discontinuas, Continuas y Semicontinuas Operaciones continuas: Son aquellas en que las etapas de carga, transformación y descarga se realizan simultáneamente La limpieza del equipo se efectua cada cierto tiempo (programada), dependiendo de la naturaleza de la transformación y de las materias a tratar. Cuando se realiza la limpieza la planta debe parar Las operaciones continuas se desarrollan en régimen estacionario. Operaciones Unitarias Discontinuas, Continuas y Semicontinuas Operaciones semicontinuas: Este sistema de operación se llega a obtener mezclando operaciones continuas con discontinuas. Se puede cargar algunos materiales en un equipo, mientras que otros entran o salen continuamente. Cada cierto tiempo se deben descargar algunos materiales que se van acumulando.  Ventajas y desventajas de las operaciones en continuo Ventajas Desvantajas Se eliminan las etapas de Las MP deben poseer una carga y descarga composición uniforme Permite automizar la La puesta en marcha operación suele ser costosa La composición de los Las fluctuaciones de la productos es más uniforme demanda de productos Presenta un mejor hace que se deba aprovechamiento disponer de gran térmico cantidad de MP y un buen almacenamiento Los equipos son mas costosos por el grado de automatización Operaciones unitarias En bioprocesos, son utilizados sustratos y materias primas para generar compuestos y productos útiles generalmente por fermentación. Las operaciones individuales o pasos dentro proceso que cambian o separan componentes, son del operaciones unitarias. Aunque los objetivos específicosllamadasde los bioprocesos varían de un tipo de industria a otro, cada esquema de procesamiento puede ser visto como una serie operaciones unitarias, las cuales aparecen una y otra vez en diferentes sistemas Las operaciones en un bioproceso tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil para fines de producción, estas son segmentadas en: 1. operaciones de preparación, 2. biorreación y 3. separación del producto de interés  MATERIAS PRODUCTO PRIMAS FINAL Sustratos de Metabolito un medio de Transformació s y/o cultivo n biomasa Pretratamiento: upstream Postratamient o: downstream Los diversos procesos industriales de base biológica, se dividen en tres campos: - Los procesos donde se utilizan microorganismos. - Procesos de utilización de enzimas. - Procesos de aprovechamiento de materiales biológicos.  Etapas de los procesos biotecnológicos Etapa I: Tratamiento Previo, en esa etapa (Figura) están involucradas una o más de las siguientes operaciones: Selección, tamizado, reducción de tamaño, hidrólisis, formulación de medios y esterilización. Etapa II: Etapa de Biorreacción, corazón del bioproceso. Etapa que involucra la transformación de sustrato en biomasa y algún producto bioquímico o enzima. Etapa III: Tratamiento de los Productos (Downstream), para ser convertida en formas útiles. Las operaciones predominantemente físicas, mediante las cuales se obtiene la concentración y purificación de los productos. Las más comunes son: Filtración, centrifugación. Sedimentación, floculación, ruptura celular, extracción, ultrafiltración, precipitación, cristalización, cromatografía, evaporación, secado y empaque Introducción a Bioprocesos, Roberto González 2018  Operaciones unitarias: centrifugación, humidificación cromatografía, separación por membrana, enfriamiento, molienda, cristalización, mezclado, diálisis, precipitación, destilación, manipulación de sólidos secado, y extracción por evaporación, solventes. filtración calentamiento, Bibliografía Apunte de Operaciones Unitarias en Biotecnología (2011) recuperado de https://www.udocz.com/apuntes/322406/operaciones- unitarias-en-biotecnologia Collado, S.; Díaz, M. (2014). "Procesos físicos en biotecnología: enseñanza y diseño". Arbor, 190 (768): a158. doi: http://dx.doi.org/10.3989/arbor.2014.768n4012 Conceptos generales Proceso: corresponde al conjunto de actividades planificadas (operaciones unitarias) y relacionadas que implican la participación de personas (operarios) donde ingresan recursos y se produce su transformación en unproducto previamente diseñado  Conjunto de actividades mutuamente relacionadas que utilizan las entradas para proporcionar un resultado previsto Proceso Resultado previsto de un proceso se denomina a las salidas productos o servicios dependen del contexto de la referencia dos o más procesos en serie que se interrelacionan e interactúan pueden también considerarse como un proceso  ¿Qué es un proceso? Conjunto de actividades realizadas por un individuo o grupo de individuos, cuyo objetivo es transformar entradas (inputs) en salidas (outputs) que serán útiles para un cliente. Cada grupo de actividades o procesos conforman una cadena de valor la que satisface a los clientes generando valor Satisfacen las añadido en cada actividad necesidades y expectativas de los clientes Inputs Outp Operacione s Proce uts Productos Proveedore s Métodos so Informació n Servicios Materias Recurs Valor añadido primas os Tipos de diagramas de procesos/flujo 1.Formato vertical: el flujo y la secuencia de las operaciones va de arriba hacia abajo. Para este diagrama se debe contar con todas las operaciones necesarias para la transformación de la Materia prima en producto final 2.Formato horizontal: formato en el cual el flujo de las operaciones se dibuja de izquierda a derecha, ordenadamente 3.Formato panorámico: el proceso se registra en forma vertical y en forma horizontal. Se muestran distintas acciones simultaneas y la participación de más de un  Para representar un proceso industrial se tienen los diagramas de bloque Recepción de materias Cada fase o etapa esta unidad a primas una continuidad que permite la transformación de la materia S Operación unitaria 1 prima a producto final Un diagrama de bloques de 1 procesos de producción es Operación unitaria 2 S utilizado para indicar la manera en la que se elabora cierto 2 producto, especificando la materia prima, la cantidad de Producto procesos y la forma en la que se final presenta el producto terminado.  Procesos de aprovechamiento de las proteínas de la sangre residual de mataderos Un diagrama de flujo es la representación gráfica de flujo de una secuencia de operaciones unitarias en el ámbito de la biotecnología (bioprocesos). En estos diagramas de flujo se utilizan diversos símbolos para representar operaciones específicas. Se les llama diagramas de flujo porque los símbolos utilizados se conectan por medio de flechas para indicar la secuencia de la  Los diagramas de flujo favorecen la comprensión del proceso/procedimiento al mostrarlo como un dibujo. Permiten identificar los problemas y las oportunidades de mejora del proceso. Se Ventajas de un identifican las operaciones sin sentido, los flujos de los reprocesos, las responsabilidades, los cuellos de botella, y los puntos de decisión. diagrama de flujo Muestran las interfases cliente - proveedor y consumidor final considerando la distribución y comercialización Son una excelente herramienta para capacitar a los nuevos empleados y también a los que ejecutan operaciones unitarias, cuando se realizan mejoras en el proceso. ¿Cómo construir un diagrama de flujo?  Formar un grupo de trabajo donde participen aquellos que son responsables de la ejecución y el desarrollo de los procedimientos que se encuentran debidamente interrelacionados y que constituyen un proceso.  Realizar un listado de operaciones involucradas en el proceso, desde la visión in situ  Establecer el objetivo que se persigue con el diseño de los diagramas y tipo de diagrama por utilizar.  Definir los límites de cada procedimiento mediante la identificación del primer y último paso que lo conforman, realizar un cierre de fronteras, considerando los procedimientos que están interrelacionados significa el inicio del proceso siguiente.  Realizar el diagrama de flujo con toda la información.  Verificar in situ el diagrama de flujo, de ser necesario firmar el documento.  Los diagramas de flujo para su implementación requieren de una serie de figuras como flechas, líneas y símbolos que representan las interacciones que ocurren entre cada una de las operaciones de transformación hasta la obtención del producto final. Significado de los símbolos Símbolo Símbolo de Símbolo de Símbolo Símbolo de terminador acción decisión conector documento Símbolo Símbolo Este Para Indica la que símbolo diagrama entrada conocido represent indica que tienen o salida de a una una cierta de inicio y acción, pregunta, complejida datos, fin. un d documento Indica el proceso respuesta Se s o punto Indica Si o No, requiere informació de todas las FoV de n inicio y de acciones A partir símbolos Puede fin de que se de la que utilizarse un llevan en decisión conecten para proceso un surge o unan elaborar proceso una varias un ramificaci parates en memo, al  Operaciones upstream Las operaciones upstream incluyen todas las operaciones que son requeridas antes de comenzar con la etapa de bioproceso. Estas operaciones tienen relación con la preparación de un entorno propicio para el crecimiento y multiplicación celular. Esto implica preparar un medio de cultivo nutritivo, ajustar las condiciones de temperatura y garantizar que las células tengan el espacio y los recursos necesarios para crecer y multiplicarse. Optimizar las condiciones para el Garantiza la crecimiento de microorganismos y la calidad y Objetiv producción de rendimiento productos deseados o biotecnológicos del producto deseados final Las operaciones típicas upstream son: Preparación de medios Selección de los componentes Preparación de inóculos Esterilización por calor Esterilización por filtración Selección Tamizado Reducción de tamaño Características del crecimiento microbiano Para el crecimiento microbiano es necesario tener presente que cada organismo tiene diferentes requisitos físicos y químicos para el crecimiento, por lo tanto, las condiciones de crecimiento varían de según el organismo y el proceso. En una fermentación natural, las condiciones de crecimiento son proporcionadas por la fuente de alimento que se fermenta El crecimiento microbiano no ocurre inmediatamente después de la inoculación del medio nutriente seleccionado, esto se da por etapas 1. Fase de latencia: etapa en la cual las células se adaptan el nuevo entorno, con los factores necesarios para el crecimiento y la división celular 2. Fase de desarrollo o crecimiento: tiempo durante el cual las células crecen y la división se produce a ritmo exponencial. Es la etapa óptima para aplicaciones de bioprocesamiento. 3. Fase estacionaria: se caracteriza 'porque la tasa de crecimiento centro del cultivo disminuye ya que tienen menor disponibilidad de nutrientes, aumentando la concentración de algunos compuestos tóxicos. En esta etapa se da que la tasa de muerte celular es igual a la tasa de crecimiento celular 4. Fase de muerte: fase en donde los nutrientes se agotan o las toxinas del producto pueden producir lisis celular, la muerte de las células se da a una tasa exponencial Esto es importante para realizar las primeras operaciones de upstream: Preparación de medios Selección de los componentes Preparación de inóculos Composición de las células microbianas La composición de las células bacterianas tiene variaciones. En la tabla podemos ver la composición elemental de la E. coli (composición en pesos http://www.criba.edu.ar/cinetica/reactores/CAPITULO %208.pdf  La composición elemental de las bacterias no varía mucho, esto se puede observar en la siguiente tabla Es importante reconocer la composición elemental de una población bacteriana, de esta forma podemos dar un determinado medio que propicie su crecimiento, a través de nutrientes al sistema que respeten las fórmulas promedio de las bacterias. Los elementos traza se cubren con la adición al medio de cultivo extracto de levadura Carbono Nitrógeno Composición Hidrógeno principal Oxígeno Fósforo Cloro Sodio Composición traza Potasio Azufre Necesidades de nutrientes Factores que afectan el crecimiento y la biodegradación Recordemos que las bacterias se reproducen por medio de fisión binaria, el tiempo que se demoran en formarse 2 células de una célula se llama tiempo de generación/tiempo de duplicación. Este tiempo varía según la especie de bacteria y las condiciones del medio de cultivo Factores que afectan el crecimiento y la biodegradación 1. Nutrientes: deben estar de acuerdo con las necesidades de las nutrientes de las células, en cantidad y estado adecuado. Los medios de cultivo pueden ser sintéticos (definidos) o complejos (ejemplo extracto de levadura ). 2. PH: factor que afecta la actividad microbiana en forma específica (pH optimo). Escala pH, neutralidad, inferiores y basicos Factores que afectan el crecimiento y la biodegradación 3. Temperatura: factor ambiental que afecta el crecimiento y supervivencia de los microorganismos Datos relevantes, por cada 10°C se duplica la velocidad de biotransformación (temperaturas superiores disminuye la velocidad), En rangos medios se alcanzan velocidades mayores, aumenta la actividad microbiana, aumenta la solubilidad de los nutrientes en el agua,. Sobre los 40°C decrece el crecimiento microbiano y a temperaturas cercanas a 0°C el crecimiento se detiene.. Factores que afectan el crecimiento y la biodegradación 4. Disponibilidad de agua: dado que el agua es el componente principal de las células es indispensable para el mantenimiento y crecimiento microbiano. El agua cumple un rol de transporte de los sustratos (exterior e interior) Sin agua la actividad microbiana no es posible