Bases Bioingeniería
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Bases de bioingeniería para el diseño de procesos
Lizzete Rivera Landa
Sarai Vargas Vázquez
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Biotecnología
Conceptos implícitos y áreas de inferencia quedan comprendidos dentro de:
Microbiología industrial
Tecnología de enzimas
Tecnología de fermentaciones
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Definiciones de biotecnología
Aplicación de la bioquímica , microbiología e ingeniería química al medio ambiente. Así como procesos y productos industriales. IUPAC
Aplicación de los principios científicos y de ingeniería para el procesamiento de materiales para agentes biológicos con el fin de producir bienes y servicios. EFB
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Definiciones biotecnología
De una forma más restrictiva, la biotecnología implica:El uso integrado de la bioquímica, la
microbiología y la ingeniería para lograr la aplicación tecnológica de las capacidades metabólicas de micro-organismos, células y tejidos cultivados o de sus componentes . ODEC
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bioingeniería
A menudo se le restringe al ámbito biomédico.Uso de la ingeniería y los principios
biológicos para la identificación de las funciones de sistemas vivos y para el desarrollo de dispositivos terapéuticos, especialmente partes y sistemas corporales artificiales.
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Desarrollo biotecnológico
Desarrollo de bioprocesos (bioingeniería)
Manipulación genética Evaluación y selección de cepas o líneas celulares
Investigación de condiciones de producción
y análisis cinético del proceso
Investigación e metodología de recuperación y purificación de bioproductos
Diseño de sistemas de reacción
Diseño de biorreactores
Upstream processing, downstream processing
Análisis económico
Pueden definirse de acuerdo a sus competencias
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Definición bioingeniería
Uso integrado de conocimientos y herramientas metodológicas de la bioquímica, microbiología, computación e ingeniería para el diseño y evaluación de bioprocesos.
Herramienta:Simulación de procesos
basada en modelos matemáticos
Requiere conocimientos en:Estequiometria de
reacciones biológicasBiocinéticaSistemas de reacción Transferencia de masa,
calor y momento en reactores biológicos.
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Proceso fermentativo
• Preparación de materias primas, formulación y esterilización de mostos.
Upstream processing
Fermentación • Recuperación
y purificación de productos
Downstream
processing
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Impacto económicoObjetivo bioprocesos: Encontrar condiciones de producción para obtener:
• Fermentación parte medular
Proteína unicelular
y tratamiento de aguas
• Recuperación de producto tiene mayor impacto.
Producción de
etanol
• Recuperación y purificación son las que más afectan en el costo global
Metabolitos de alta pureza
Alta concentración del producto.
Alta productividad.Alto rendimiento
Criterios fundamentales para diseño y evaluación de procesos fermentativos.
Proceso fermentativo
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EN UN PROCESO FERMENTATIVO LOS REACTANTES SE CONVIERTEN POR ACCIÓN
MICROBIANA EN UNA MEZCLA DE PRODUCTOS DE REACCIÓN.
2.1 Estequiometria de reacciones biológicas
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Población celular estática
Población celular funciona solo como biocatalizador de la reacción, se requiere formular la mezcla de reactantes considerando la estequiometria de la bioconversión.
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Crecimiento
Debe considerarse la fracción de reactantes que se convierten en biomasa así como la parte de la fuente de energía utilizada para el metabolismo celular endógeno.
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Producto de reacción es biomasa
Algún componente intra-celular o secretado que no represente fracción masa importante VitaminasEnzimasPéptidosEl medio de cultivo se formula a partir de la composición del propio material celular.
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No hay desviación en metabolismo aerobio
No se presenta acumulación importante de subproductos, la fracción del sustrato que se incorpora a la masa celular es 66% aproximadamente; el resto se convierte en CO2.
Deberá haber exceso de carbono en el medio de cultivo para mantenerse balanceado.
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Rendimiento celular
ESTIMACIÓN DE RENDIMIENTOS TEÓRICOS
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Considerando un proceso aerobio, sin desviaciones del metabolismo celular y sin acumulación masiva de metabolitos se tiene la siguiente estequiometría:
A partir de esta base, podemos calcular el rendimiento teórico celular máximo:
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Rendimiento calórico
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Estequiometría de reacción en un proceso de combustión biológica
Dividiendo entre ΔX
Simplificando términos tenemos
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Rendimiento de Oxígeno
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El rendimiento de O2, YO2g, se puede estimar tomando en cuenta la liberación de 112 kcal por mol de O2 consumido en la combustión, YKO dado que:
YO2= YXO= YKOYXK