Plan Anual de Actividades Académicas...CARRERA ACADÉMICA Facultad Regional Rosario Plan Anual de...

CARRERA ACADÉMICA Facultad Regional Rosario

Plan Anual de Actividades Académicas

CICLO : 2.015 a presentar y coordinar por el Director de Cátedra / Área

Departamento: INGENIERIA QUIMICA

Área: Ingeniería Química

Asignatura: BIOTECNOLOGIA Titular: Ing. Eduardo E. SANTAMBROSIO (DE)

Asociado: …………………………………………………………………………………………………...

Adjunto: ……………………………………………………………………………………………………..

JTP: Ing. Marta ORTEGA (2DS) Auxiliares: Ing Pablo Andres GARIBALDI (1DS)

Planificación de la asignatura. (Ficha de actividades curricular similar a la solicitada para acreditación de carreras) 1 . Datos generales de la actividad curricular Código de la carrera (No llenar) Denominación de la actividad BIOTECNOLOGIA Código de la actividad (No llenar) Plan de estudios 1995 Bloque curricular (No llenar) Carácter Obligatoria X Optativa / Electiva -------------------------------------------------- Régimen de dictado (*) Anual X Cuatrimestral -------- Bimestral -------------------

(*)Colocar una cruz en donde corresponda, anual, cuatrimestral o bimestral. 2 . Fundamentación de la materia dentro del plan de estudios. SE DESARROLLA TODO LO INHERENTE A LA TRANSFORMACION BIOLOGICA DE LA MATERIA

3 .Objetivos Señalar los objetivos expresados en términos de competencias a lograr por los alumnos y/o de actividades para las que capacita la formación impartida. EN ESTA ASIGNATURA SE PREPARA AL EDUCANDO PARA LA INTERPRETACION , DESARROLLO , DISEÑO Y MANEJO DE PROCESOS DE TRANSFORMACION DE MATERIA

Instrucciones de llenado: NO llenar el número de orden. Se pueden seleccionar una o varias casillas en las preguntas de múltiple choice, excepto en las preguntas

por SÍ, NO, Ns/Nc.


POR MEDIO DE FENOMENOS BIOLOGICOS . 4 Descripción de la actividad curricular Describir brevemente la actividad curricular, las tareas a realizar por docentes y alumnos y los materiales didácticos – guías, esquemas, lecturas previas, otros – que se requieran para desarrollarla. El dictado de la asignatura es de caracteristicas expo-participativa , durante el desarrollo de los temas se hacen uso de retroproyectores , cañon y material impreso . El ALUMNO llega al dictado con una previa lectura del tema y una interpretación de los fenomenos a utilizar . El dictado comprende tres etapas a saber : - TEORICO - PRACTICO - COLOQUIAL La parte coloquial se desarrolla en forma extracurricular y durante el período en que el ALUMNO está preparando la asignatura para rendir , involucra un tiempo adicional de aproximadamente 25/30 horas . ACLARACION : durante el desarrollo de los prácticos y problemas se tratan temas de ampliación teórica .

5 Modalidad de enseñanza y carga horaria Completar el siguiente cuadro con las actividades con carga horaria significativa exceptuando las actividades ocasionales que no resulten sustanciales para el desarrollo de la actividad curricular (conferencias, prácticas no sistemáticas o no obligatorias, fichado de material bibliográfico u otras).

Carga horaria semanal

Carga horaria

total

Teórica 2 dos 64 Formación experimental 2 dos 64

Laboratorio 2 dos 50 N° del (*) inmueble

N° del (*) laboratorio

Trabajo de campo 15 * N° del (*) inmueble


Resolución de problemas 14 Proyectos y diseño 10*

Práctica supervisada 10* N° del (*) inmueble


En el sector productivo de bienes y/o servicios 10*

En la institución ---------------------- ------------- Sumatoria 4 cuatro 128 + 35*

(*) No llenar. * EXTRACURRICULAR 6 Contenidos Indicar los contenidos incluidos en el programa de la actividad curricular. TEMA 1 - CONCEPTOS GENERALES Consideraciones generales Definiciones : - NATURALEZA


- FENOMENOS DE TRANSFORMACION - BIOFISICA - BIOQUIMICA - BIOLOGIA MOLECULAR - INGENIERIA GENETICA - INGENIERIA BIOQUIMICA - BIOTECNOLOGIA Diferencias entre Ing Bioquímica y Biotecnología Proyección de la biotecnología Biotecnología en alimentos , medicamentos , manejo de residuos , bioenergía , producción de solventes y nuevos materiales . Nutraceutica TEMA 2 – BIOLOGIA CELULAR – BIOLOGIA MOLECULAR Biomoleculas , Metabolismo ,Ciclo biologico , Fotosintesis ,Quimiosintesis Cadenas tróficas Biología , subdivisión para su estudio . Nomenclatura y subdivisión de los microorganismos Celulas , elementos fundamentales Elementos de la genética , el gen Material biologico : - CARBOHIDRATOS - LIPIDOS - PROTEINAS - ACIDOS NUCLEICOS Clasificación de los ácidos nucleicos y sus funciones . Mecanismos de transmisión de información dentro de la celula Mutaciones naturales , inducidas y alteraciones de la estructura genética . Bacterias Hongos Virus Diversas formas de reproducción asexual – sexual Selección y conservación de cultivos puros . Enzimas , obtención , purificación , usos Cinética de las reacciones metabolicas. TEMA 3 – FACTORES QUE AFECTAN EL DESARROLLO MICROBIOLÓGICO Fisiología microbiana Propiedades de la materia viva Factores intrinsico – extrinsicos que actuan en el desarrollo microbiano Nutrición Principales rutas metabólicas Biodeterioro de materiales Alimentos , residuos , actividad sobre recursos Factores intervinientes en el desarrollo microbiano - FISICOS - QUIMICOS - BIOLOGICOS FISICOS Termicos de alta y baja temperatura Actividad del agua Radiación QUIMICOS Osmóticos activos Acidos Oxi-reductores Bloqueadores de enzimas


Atmósfera controlada Antibioticos BIOLOGICOS Competencias microbiológicas Fermentaciones Transgénicos APLICACIONES DE TODOS ESTOS TEMAS EN ALIMENTOS Y FERMENTACIONES TEMA 4 – ALIMENTOS Definiciones El alimento desde su generación hasta el consumo Microbiología de los alimentos Alteraciones químicas y biológicas de alimentos Actividad biológica en los procesos de transformación de los alimentos Bacterias y hongos como alimentos para humanos y animales Biotecnología de la transformación de alimentos Frontera bilógica en alimentos Alimentos y biocombustibles Procesos nutraceuticos TEMA 5 – BIOINGENIERIA DE PROCESO Definiciones Cinética de las fermentaciones Fermentadores y formas de operarlos Fenómenos de transporte en fermentaciones Preparación de cultivos Esterilización térmica Filtración biológica Agitación con y sin aereación Cambios de escala “ laboratorio – planta “ Automatización de sistemas Mecanismos de separación y purificación . Ingeniería de detalles Diseño de plantas TEMA 6 - PROCESOS BIOTECNOLOGICOS Fermentaciones , alcoholicas , lactica , acética , aceton butanólicas , citrica , etc Producción de glutamato mono sódico Elaboración de antibióticos Producción de enzimas , vitaminas y aminoácidos Producción de vacunas Tratamiento de efluentes Ecología y medio ambiente TEMA 7 – BIOTECNOLOGIA ACTUAL Alimentos transgénicos , vegetales y animales Bioseguridad alimentaria , tecnicas de control de la F.A.O. Aplicación del ADN recombinante Biotecnología y los fitoquímicos 7 Bibliografía


Detallar la bibliografía. En el caso de libros especificar el título, los autores, la editorial y el año de edición e indicar en el cuadro la cantidad de ejemplares disponibles para los alumnos en la biblioteca y los años de sus ediciones.

Bibliografía En el caso de libros: Cantidad* Año de edición

Biologica Sciences, Moleculas To Man – American Institute of biological Sciencies Houghton Ed. BLUE VERSION

1 1989

Biology : An introducción – Clarence J. Ed. WILEY AND SON – LONDON

1 1986

Recursos naturales – Bochinger M. Ed. CESARINI Hnos

1 1980

Bioquímica – Mertz Edwin – Ed. PUBLICACIONES CULTURALES MAXICO 1 1989 Procesado de material biológico –Fellows P 1997 Ed. ACRIBIA 1 Microbiología de Zinsser Ed PANAMERICANA 2 1967 Macromoléculas – Paladini A. 1991 Ed. O.E.A. 1 Aguas residuales – Fair , Gordon , Maskew 1982 Ed. LIMUSA 1 Microbiología Industrial – Prescott , S. C. Ed . AGUILAR 1 1984 Biotecnología – Smith , J Ed. ACRIBIA 1 2006 Biotecnología – Muñoz de Malajovich , M A. 1 2007 Ed. BIOMEDICINA Biotecnología – Jagnow 1 1991 Ed. ACRIBIA Biotecnología básica – Bullock 1 2000 Ed. ACRIBIA Biotecnología de la fermentación – Ward 1 1989 Ed. ACRIBIA Introducción a la biotecnología – Brown , C. M. 1 1989 Ed. ACRIBIA Biología molecular y biotecnología – Walker 1 1997 Ed. ACRIBIA Practicos de biotecnología – Becker Jeffrey 1 1999 Ed. ACRIBIA Biotecnología de los alimentos – Lee Byong 1 2000 Ed. ACRIBIA


ADN Recombinante y biotecnología 1 2004 Krewser Helen Ed. ACRIBIA 1 2000 Microbiología industrial – Leveau j. Y. Ed. ACRIBIA Biotecnología de las enzimas – Wiseman 1 2000 Ed. ACRIBIA Biología – Curtis H. 1 2007 Ed. MEDICAL PROFESIONAL Biología – Starr Cecie 1 2007 Ed. MEDICAL PROFESIONAL Introducción a la biotecnología – Tortora G. J. 1 2007 Ed. M. PANAMERICAN * Disponible en la biblioteca para uso de los alumnos.

8 Si la actividad curricular no se dicta en la unidad académica indicar dónde se

encuentra disponible la bibliografía. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

9 Señalar la frecuencia con que se utilizan apuntes de clase.

Siempre X Frecuentemente ------------------ A veces ------------------ Casi nunca ------------------ Nunca ------------------

10 Composición del equipo docente actual. 10.1. Responsable a cargo de la actividad curricular.

Nº de orden de la ficha docente (No llenar) Apellido y nombre SANTAMBROSIO

EDUARDO ERNESTO Título de grado Ing. QUIMICO Título de posgrado --------------------------- Cargo docente PROFESOR TITULAR

ORDINARIO Dedicación horaria semanal 12 Dedicación horaria semanal frente a alumnos* 8

* Promedio a lo largo del dictado de la actividad curricular. 10.2. Profesores.

Nº de orden de la ficha docente ---------------------------------- Apellido y nombre ---------------------------------- Título de grado ---------------------------------- Título de posgrado ---------------------------------- Cargo docente ---------------------------------- Dedicación horaria semanal ---------------------------------- Dedicación horaria semanal frente a alumnos* -----------------------------------

* Promedio a lo largo del dictado de la actividad curricular.


10.3. Auxiliares.

Apellido Nombre Cargo Dedicación Carácter de la designación

Dedicación horaria semanal frente a

alumnos* CUIT/ CUIL

A B C D E Reg. Int. Cont. Adh. ORTEGA GARIBALDI

MARTA PABLO ANDRES

J.T.P AYU. 1

X X

-- --

-- --

-- --

-- --

X -----

------- X

------------

------------

4 4

13.255.916 20 -23.645.854-5

* Promedio a lo largo del dictado de esta actividad curricular. Referencias: Dedicación: A: menor o igual a 9 horas semanales; B: entre 10 y 19 horas semanales; C: entre 20 y 29 horas semanales s; D: entre 30 y 39 horas semanales; E: Igual o mayor a 40 horas semanales. Carácter de la designación: Reg: regular; Int: interino; Cont: contratado; Adh: Ad honorem.

11 Distribución del personal docente de la cátedra según las actividades curriculares

a desarrollar.

Cargo Cantidad total

Cantidad de docentes que participarán en:

Teóricas Formación experimental

Resolución de

problemas

Proyectos y

diseños

Práctica supervisada Otra

Profesor Titular

1 UNO 1 UNO 1 UNO 1 UNO ------------- 1 UNO -------------

Profesor Asociado

---------------- -------------- -------------- ------------- ------------- ------------- -------------

Profesor Adjunto

---------------- -------------- -------------- -------------- -------------- -------------- --------------

JTP 1 UNO 1 UNO 1 UNO 1 UNO 1 UNO -------------- Ayudante graduado

1 UNO -------------- 1 UNO 1 UNO -------------- 1 UNO --------------

Ayudante no graduado

-------------- -------------- -------------- -------------- -------------- -------------- --------------

Otros -------------- -------------- -------------- -------------- -------------- -------------- -------------- 12 Indicar si las actividades se organizan por comisiones.

Si X No --- Algunas --- 13 Indicar la cantidad de comisiones y la cantidad de alumnos por comisión. Si la

actividad curricular se desarrolló en los dos cuatrimestres o los cuatro bimestres indicar el promedio.

Teóricas Formación experimental

Resolución De

problemas

Proyectos y

diseños

Práctica supervisada Otra

Cantidad de comisiones

2 dos 12 12 ------------- 6 ------------- Cantidad de alumnos por comisión

30 5 5 ------------- 10 -------------

14 Metodologías de enseñanza Listar las estrategias didácticas empleadas para garantizar la adquisición de conocimientos, competencias y actitudes en relación con los objetivos. Especificar cuáles son las estrategias implementadas para generar hábitos de autoaprendizaje.


METODOLOGÍA DE LA ENSEÑANZA I - FUNDAMENTOS PEDAGÓGICOS

El considerar los problemas básicos de las procesos de operaciones de transferencia de materia , ( uso de los fenómenos físicos) como punto de partida del proceso de elaboración de los PRODUCTOS QUIMICOS .

ENSEÑANZA - APRENDIZAJE Posibilita una actividad AUTOGESTIONARIA por parte del Alumno y permite aproximarse a las situaciones problemáticas , realizando los procesos característicos de la PROFESION . Esta forma de enfocar el estudio conduce a la INTEGRACIÓN , superando la SEPARACIÓN ya que toda área del saber es un conjunto coherente de conocimientos interrelacionados y de procedimientos , con los cuales se construyen nuevos conocimientos . Si se parte del concepto de TECNOLOGÍA y del aprendizaje como construcción , no se puede aceptar una separación arbitraria entre TEORIA Y PRACTICA ; lo correcto es acercarse a los problemas básicos de aspectos OPERACIONALES de los procesos de manejo de los Productos Químicos, integrando teoría y práctica al modo de trabajo Profesional . Ello hace necesario encarar lo " teórico – práctico " como una forma de generación de conocimiento , considerando dicha práctica como PRAXIS y no como aplicación. Al seleccionar las estrategias se tiene en cuenta lo siguiente :

UN ESTUDIANTE SE FORMARA COMO “ PROFESIONAL “ , REALIZANDO LOS PROCESOS CARACTERISTICOS DE LA PROFESION .

UN ESTUDIANTE SE FORMARA COMO PENSADOR EN LOS PROBLEMAS BASICOS QUE DAN ORIGEN A SU CARRERA , SI SE ENFRENTA CON ELLOS DESDE EL PRINCIPIO . Las actividades son seleccionadas en función de los problemas básicos de tecnología a ser representadas como situaciones problemáticas , que generan la necesidad de busqueda de información y de soluciones creativas . Con las sucesivas etapas del crecimiento del conocimiento , las actividades se presentarán con mayor nivel de exigencia , profundidad e integración . Por lo tanto las actividades son planificadas tendiendo a la observación , investigación , planteo de situaciones problemáticas que impliquen el análisis , síntesis e integración , búsqueda de información bibliográficas y uso del método científico , con el fin de generar relaciones y nuevos interrogantes para acceder a nuevos aprendizajes . Es necesario plantear como problemas las situaciones de aprendizaje , de modo tal que las posibles soluciones generen relaciones y nuevos interrogantes para nuevos aprendizajes . Con este tipo de actividad posibilitamos la transferencia a nuevas situaciones cada vez más complejas , desarrollando soluciones creativas . Tales situaciones de aprendizaje es una estratégia esencial y general para que el Alumno pueda también en diferentes materias adquirir una óptima integración del conocimiento .

15 Evaluación


Describir las formas de evaluación, requisitos de promoción y condiciones de aprobación de los alumnos (regulares y libres) fundamentando brevemente su elección. Indicar si se anticipa a los alumnos el método de evaluación y cómo acceden estos a los resultados de sus evaluaciones como complemento de la enseñanza. La misma se la debe considerar como parte del proceso y no entenderla de manera restringida y única , como sinónimo de exámenes puntuales . Adquiere todo su valor en la posibilidad de retroalimentación que proporciona . Desde la evaluación podemos conseguir lo siguiente :

- MEJORAR EL PROCESO DE " ENSEÑANZA – APRENDIZAJE " , INTRODUCIENDO LOS CAMBIOS QUE SE NECESITEN .

- MODIFICAR EL PLAN DE ACCION DISEÑADO PARA EL DESARROLLO - PROGRAMAR EL PLAN DE REFUERZOS ESPECIFICOS .

Desde este punto de vista la evaluación es un proceso que debe llevarse a cabo en forma ininterrumpida . Con este enfoque formativo , cualitativo y personalizado , es posible lograr adecuadamente una evaluación educativa , pues contribuye decisivamente al logro de los objetivos finales buscados. Luego todo se suma a dos examenes globales parciales y la aprobación final del 85% de los prácticos . La aprobación final es por medio de un examen global práctico teorico . Donde se contemplan las evaluaciones continuas realizadas durante el dictado .

16 Articulación horizontal y vertical con otras materias

ARTICULACION

A – VERTICAL 1 – ANTERIOR

- FISICO- QUIMICA - INTEGRADORA III - QUIMICA ORGANICA - TERMODINAMICA

2 – DEL NIVEL

- OPERACIONES UNITARIAS I - OPERACIONES UNITARIAS II - INGENIERIA DE LAS REACCIONES - TECNOLOGIA DE LA ENERGIA - INTEGRADORA CUATRO

3 – POSTERIOR

- INTEGRADORA V - INSTRUMENTACION Y CONTROL

17 Cronograma estimado de clases TEMARIOS TEORIA PRACTICA SEMANA

TEMA Nº 1 X --------- I TEMA Nº 2 X -------- II TEMA Nº 2 ---- X III TEMA Nº 2 ---- X IV


TEMA Nº 2 X ------- V TEMA Nº 2 ----- X VI TEMA Nº 3 X ------- VII TEMA Nº 3 X ------- VIII TEMA Nº 3 ------ X IX TEMA Nº 3 ------ X X TEMA Nº 3 X ------ XI TEMA Nº 3 X ------ XII TEMA Nº 3 ------ X XIII TEMA Nº 4 ------ X XIV TEMA Nº 4 X ----- XV TEMA Nº 4 X PARCIAL I XVI TEMA Nº 5 ------ X XVII TEMA Nº 5 ------- X XVIII TEMA Nº 5 X ------ XIX TEMA Nº 5 X ------ XX TEMA Nº 5 ------- X XXI TEMA Nº 6 ------ X XXII TEMA Nº 6 X ------ XXIII TEMA Nº 6 X ------ XXIV TEMA Nº 6 -------- X XXV TEMA Nº 6 -------- X XXVI TEMA Nº 6 X ----- XXVII TEMA Nº 6 X ----- XXVIII TEMA Nº 7 -------- X XXIX TEMA Nº 7 -------- X XXX TEMA Nº 7 X ------ XXXI TEMA Nº 7 X PARCIAL II XXXII

TRABAJOS PRACTICOS - EL LABORATORIO DE MICROBIOLOGIA - PREPARACION DE MATERIAL - EL MICROSCOPIO - OBSERVACION POR TINCION DE LOS MICROORGANISMOS - PREPARACION DE MEDIOS DE CULTIVO - ESTERILIZACION - SIEMBRA DE MICROORGANISMOS - AISLACIÓN DE MICROORGANISMOS - CONSERVACION DE MICROORGANISMOS - TOMA DE MUESTRA - RECUENTO DIRECTO - RECUENTO DE VIABLES - TECNICAS DE P.C.R. - DIGESTION ANAEROBICA - EFICIENCIA DE LEVADURAS PANARIAS

OBSERVACIONES ; I – Se está trabajando sobre la modificación y adecuación de prácticos de acuerdo a material disponible . II – Se dará un seminario sobre automatización y control de biorreactores

................................................................


SE TRABAJARA SOBRE LOS SIGUIENTES ASPECTOS EXPERIMENTALES

practico TRANSFERENCIA DE OXÍGENO

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO: KLA. En el metabolismo aeróbico el O2 actúa como último aceptor de electrones, siendo este proceso clave para la generación de energía (ATP). Debido a la baja solubilidad del O2 en agua (7 mg/l a 35°C) y a que los microorganismos son capaces de utilizar solamente el O2 disuelto, es evidente que éste deberá ser suministrado continuamente al medio de cultivo. Para lograrlo, es necesario transferir O2 desde la fase gaseosa (normalmente aire) a la fase líquida (medio de cultivo) de modo permanente. En el diseño de reactores destinados a cultivos aeróbicos es de fundamental importancia tener en cuenta el aspecto mencionado anteriormente. En la Figura 1 puede observarse un tipo de biorreactor (tanque agitado) empleado para la producción en gran escala. El chorro de aire ingresa al biorreactor por debajo del agitador y al ser golpeado por las paletas se transforma en miles de pequeñas burbujas. El primer efecto que se consigue con la agitación es aumentar enormemente el área interfacial gas-líquido facilitando la transferencia de O2 desde la fase gaseosa a la líquida. La presencia de deflectores impide la formación de vórtice y hace que el sentido de circulación del líquido sea el indicado por las flechas en la figura. De este modo las burbujas no ascienden directamente hacia la superficie sino que quedan temporalmente retenidas por la circulación del líquido. El aumento del tiempo de retención de las burbujas implica un aumento en la transferencia de O2

F1, PT

(XO2)1; (XCO2)1; (XN2)1; (XH2O)1

(XO2)2; (XCO2)2; (XN2)2; (XH2O)2

F2

F1: Caudal de aire que ingresaF2: Caudal de gases que salenV: Volumen del cultivoXi: Fracción molar del gas “i”

De acuerdo a la ley de Henry, la concentración máxima que puede alcanzar un gas en un líquido (su solubilidad) es proporcional a la presión parcial de dicho gas en contacto con el líquido. La expresión que representa a esta relación es

2* OC H P= ⋅


donde C* es la solubilidad del gas a una cierta temperatura, PO2 es la presión parcial de dicho gas y H es la constante de Henry que, para un sistema gas/líquido dado, depende solamente de la temperatura. Macroscópicamente, la transferencia de O2 puede explicarse mediante la ecuación

OTR = KLa (C*-CL) donde OTR es la velocidad de transferencia de O2, KLa es el coeficiente volumétrico de transferencia de O2, C* es el valor del concentración de O2 dado por la constante de Henry y CL es el valor de la concentración de O2 en el seno del líquido. La diferencia de estos dos últimos términos es la fuerza impulsora de la transferencia. El KLa es una constante de proporcionalidad que puede tomar diferentes formas dependiendo del modelo que se utilice para explicarla. MODELO DE LA PELICULA Este modelo propone que a ambos lados de la interfase entre dos fluidos (en este caso gas-líquido) se establece una película o film estanco, en el cual se concentra toda la resistencia a la transferencia. En dicha película el movimiento del soluto (en este caso el O2) ocurre por difusión simple, de acuerdo a la ley de Fick que establece que:

idCN Ddt

= −

donde Ni es el flujo del componente i en la dirección x (moles de i . área-1. t-1), D es una constante de proporcionalidad (coeficiente de difusión) En el caso particular del O2, la resistencia del film gaseoso es despreciable y el flujo está controlado por la resistencia del film líquido. Un esquema se aprecia en la Figura 2. En este modelo un aumento en la agitación se visualiza como una disminución en el espesor de la película. En la interfase gas-líquido la concentración de O2 disuelto C* es la correspondiente al equilibrio con la presión parcial de O2 en el seno de la fase gaseosa, tal como establece la ley de Henry. Supongamos que en un momento dado la concentración de O2 en el seno del líquido CL es menor que C* y permanece constante en el tiempo (estado estacionario). Si en la película no hay reacción química el flujo de O2 en estado estacionario será igual en todo punto de la película (desde x = 0 hasta x = L; ver Fig. 2, γ < 0.1). Esto es lo mismo que decir que:

2 0OdNdx

= (3)

y por la ecuación 2

2

2

2

2 0OO

CD

x∂

− ⋅ =∂

Si se integra la ecuación entre x=0 y x=L se llega a la expresión:

2 2

( * )LO O

C CN DL−

= 3

que da la expresión de la velocidad de transferencia de O2 a través de la interfase gas-líquido en función del gradiente de concentración de O2 en el film. Como L es muy difícil de estimar, suele agruparse como KL = DO/L, siendo KL el llamado coeficiente de transferencia de materia en medio líquido, de esta forma se puede escribir:

2( * )O L LN K C C= ⋅ − 4


Si se define el área interfacial por unidad de volumen como:

AaV

= 5

donde A es el área interfacial y V es el volumen de medio líquido, se puede escribir:

2

L L

(6)

combinando 4 y 6 se llega a:

OTR=K a (C*-C ) (7)

OOTR N a= ⋅

⋅

Con lo que KLa adquiere un significado físico según el modelo de la película. A esta altura cabría una pregunta, como es posible suponer que se está transfiriendo O2 de la fase gaseosa a la líquida y la concentración de O2 en esta (CL) permanece constante? el sentido común indica que CL debería aumentar hasta que finalmente CL=C* y , por lo tanto, OTR = 0. De hecho esto es lo que sucede llegando finalmente a un estado de equilibrio en el que se cumple la ley de Fick para todo el seno del líquido. Para que se establezca el estado estacionario es necesario que el O2 transferido a la fase líquida sea simultáneamente consumido, ya sea por microorganismos o por cualquier reacción química. Sin embargo hay un aspecto que merece la mayor atención. Supongamos que el líquido contiene una sustancia B que reacciona con el O2 según B + O2 → BO2 Las moléculas de B estarán uniformemente distribuidas en todo el seno del líquido y también en la película líquida, donde se encontrarán con las moléculas de O2 que difunden y reaccionan para dar BO2. Se pueden dar dos casos extremos, que caracterizaremos mediante el parámetro γ, definido como

γ = velocidad de reaccionvelocidad de difusion

a) γ < 0,1. En este caso la velocidad de difusión es muy superior a la de reacción y podemos suponer que en la película no hay reacción química, por lo que es válida la ecuación (3) y subsiguientes. b) γ >> 0,1. Aquí se da el caso inverso, y las moléculas de O2 reaccionan “muy cerca” de la interfase para dar BO2. Naturalmente esto provoca que el perfil de concentración de O2 dentro de la película (y por lo tanto el gradiente) se modifique tal como se muestra en la Figura 2. En este caso el k´L estará dado por

2L Ok´ =D / L´ . Es evidente que existirán infinitos valores de k´L dependiendo de cuán rápida sea la reacción, y en todos los casos se cumplirá que k´L > kL. A los efectos de caracterizar el sistema, debemos ubicarnos en el primer caso, donde para un líquido dado y condiciones de aireación y agitación prefijadas existe un único valor de kL = D L.O2

/


Figura 2. El valor de kLa está directamente relacionado con la eficiencia de un biorreactor para transferir O2, ya que para una diferencia (C* - CL) dada, la velocidad de transferencia depende del valor de kLa. Es evidente que si deseamos saber qué tan bueno es un biorreactor para realizar un cultivo aeróbico, debemos medir qué valor de kLa lo caracteriza. Tecnológicamente importa determinar el valor de KLa en su conjunto, para tal fin existen una diversidad de métodos. Entre ellos, el método del sulfito es de uso general, el mismo se basa en la reacción entre el sulfito de sodio con el O2 en medio ligeramente alcalino y en presencia de iones Cu+2 o Co+2. METODO DEL SULFITO Se basa en que el SO3Na2 en presencia de iones Cu2+ o Co2+, reacciona rápidamente con el O2 según la reacción:

SO3Na2 + ½ O2 Cu4 2

2+

SO Na → Cuando la concentración de Cu2+ está en el orden de 0,5 - 2 x 10-3 M, y el pH se mantiene neutro o ligeramente alcalino, esta reacción es suficientemente rápida como para que en todo momento el valor de CL sea prácticamente nulo (aunque para que esto se cumpla se requiere además otra condición, que se discutirá más adelante), pero no tan rápida como para que afecte el espesor de la película. Además se debe cumplir que: - La velocidad de la reacción no dependa de la concentración de SO3

= (reacción de orden cero). Para ello, ésta debe ser mayor que 0.015 M. - El volumen ocupado por la película líquida debe ser muy pequeño en relación al volumen total de la fase líquida. Esto hace que el O2, luego de difundir a través de la película, pueda reaccionar con un gran volumen de solución de SO3Na2, garantizando así que CL = 0. En estas condiciones la reacción de oxidación ocurrirá totalmente en el seno del líquido, y la velocidad de la reacción (r) estará controlada por la velocidad máxima de difusión de O2, o sea kLa . C*: r = kLa . C* donde r es la velocidad de oxidación del sulfito en el seno del líquido. Este método, si bien simple, presenta el inconveniente de que soluciones salinas concentradas provocan una disminución en la coalescencia de las burbujas, aumentando, por tanto, el área por unidad de volumen. De este modo el kLa que se obtiene suele ser mayor que el que se tendrá con líquidos no coalescentes, como lo son, en general, los medios de cultivo.

Fase gaseosa

0 L´ L

C*

CL

Película líquida Seno de la fase líquida

γ >> 0.1

γ < 0.1


Si conocemos C* podemos estimar kLa a partir de r. La velocidad de oxidación del sulfito puede estimarse de diversos modos. Entre ellos se destacan: - determinación del sulfito residual en el reactor (por ejemplo, mediante iodometría) -determinando la velocidad de consumo de oxígeno en la reacción por balance en fase gaseosa. PARTE EXPERIMENTAL a) Determinación de la velocidad de transferencia de O2 en biorreactor por el método de balance gaseoso. 1.- Se preparan 3 litros de solución 0.5 N de SO3Na2, se ajusta el pH a un valor alrededor de 8 y se colocan en el biorreactor. 2.- Se agrega el catalizador (SO4Cu, 1M), hasta alcanzar una concentración final de 10-3 M. 3.- Se selecciona el caudal de aire F = 60 l.h-1, y se ajusta la agitación al valor previamente establecido. 4.- Se aguarda hasta que la lectura del sensor de O2 se estabilice (10-15 minutos) y registrar el valor leído. 5.- Se modifica la agitación a un nuevo valor y se proceder como en el punto 4 El procedimiento se repite con al menos tres condiciones de agitación distintas. Luego de determinadas las tres velocidades de transferencia se agrega en el biorreactor un tensioactivo (detergente) y antiespumante para determinar cualitativamente el efecto de estas sustancias sobre la transferencia de O2. Con los datos obtenidos se pueden determinar las velocidades de consumo de O2, realizando el balance de materia en fase gaseosa. Este conduce a la expresión:

2 2

2 s

2s

pOF 60 0.21R 0.79V 22.4 1-pO 1 0.21O O

TorT

= = − × × × × − −

La deducción de esta ecuación se encuentra en la guía complementaria.

El valor de kLa se calcula a partir de la ecuación *C

rOakL2= . Vale aclarar que el valor de 7.5 mg/L

dado para C* vale sólo cuando el gas que está en equilibrio con el líquido es aire (presión parcial de O2 de 0.21 Atm). En el caso del TP la presión parcial de O2 estará dada por la composición del gas de salida por lo que en el cálculo de kLa debe corregirse dicho valor. El valor corregido resulta ser

212

21O%*C*C )( ×= .

Con estos datos se construye un gráfico de log kLa vs log rpm. SEGUNDA PARTE El método de Cooper, tal cual se describe anteriormente, posee una simplicidad que lo hace sumamente útil pero tiene el inconveniente de que entrega valores de KLa sobredimensionados. Este problema tiene dos causas principales: 1) como la reacción es muy rápida, el gradiente alrededor de la burbuja se ve alterado (Fig 2) y 2) las soluciones salinas concentradas son menos coalescentes que el agua y los medios de cultivo por lo que las burbujas tienden a permanecer separadas por mas tiempo, generando un área mayor de las que se encontraría en un medio de cultivo. Para solucionar ese tema se desarrolló un método alternativo en el cual, en lugar de trabajar con la solución concentrada de Na2SO3 en el reactor y con una concentración de O2 cercana a 0, se


agrega una solución de Na2SO3 a un caudal tal que toda la sal se consume al momento de ingresar al reactor. Como la velocidad de ingreso de sulfito es menor la velocidad de trasferencia de O2, la concentración de O2 disuelto es distinta de 0. La ecuación estequiométrica que representa a la reacción que ocurre entre sulfito y O2 es la siguiente:

42232 222

SONaOSONa Cu →++

La velocidad de la reacción puede representarse según la ecuación:

[ ] [ ]nm OSONav 232 ××=κ donde k es la constante de velocidad y m y n son coeficientes que deben determinarse experimentalmente y representan al orden de la reacción para sulfito y oxigeno respectivamente. Las ecuaciones que representan al balance de materia para el O2 y el Na2SO3 son las siguientes:

nB

mAnmLAAFAALL

AL CCkVCCQCCVaKdt

dCV )()()()*(. ,−−+−=

n

Bm

AnmLBBFB

L CCkVCCQdtdCV )()(2)( ,−−=

donde VL es el volumen del reactor, CA y CB son las concentraciones de O2 disuelto y sulfito en el medio, CAF y CBF son las concentraciones de O2 y sulfito en la alimentación, Q es el caudal de alimentación, Cuando se alcanza el estado estacionario el termino de consumo químico puede eliminarse de las ecuaciones anteriores sustrayéndolas y se obtiene la ecuación que permite calcular el KLa:

−××

−−−×=

** 12

)(2)(

A

AAL

AAFBBFL

CCCV

CCCCQaK

S

SS

En las condiciones de operación, la concentración remanente de sulfito en el medio, la concentración de O2 en la alimentación y en el reactor son despreciable frente a la concentración de sulfito en la alimentación con lo que la ecuación puede reducirse a:

−××

×=

** 12

A

AAL

BFL

CCCV

CQaKS

Una diferencia operacional importante entre este método y el tradicional de Cooper es que en el original la concentración elevada de sulfito mantiene relativamente constante el pH. En el presente protocolo, la aparición de sulfato hace que el pH disminuya rápidamente. Como el pH es un parámetro crítico en la medida del KLa, se debe controlar el mismo en forma activa. A pesar de no permanecer el volumen absolutamente constante, como el volumen de la planta es grande en relación al caudal de alimentación, se puede considerar que, a tiempos cortos, se llega al estado estacionario. Parte experimental: Materiales. Biorreactor con electrodos de medida de O2 y pH


Solución de CuSO4 1M Solución de Na2SO3 0.8 M (titulada). Solución de NaOH 1M Protocolo 1. Llenar el biorreactor de agua destilada y agregar solución de CuSO4 1M hasta una

concentración final de 1 mM. 2. Termostatizar a 30 °C 3. Conectar la salida de gases al equipo de medida 4. Dejar polarizar el electrodo de O2 y calibrarlo con N2 y aire. 5. Al mismo tiempo calibrar el equipo de medida de gases. 6. Calibrar el electrodo de pH y colocar el Set point en 8. 7. Fijar la agitación en las condiciones de medida requeridas 8. Comenzar la alimentación de Na2SO3 9. Mantener la alimentación hasta que se alcance el estado estacionario (10´ de valor constante en

la medida de O2 disuelto y de % de O2 en los gases de salida) 10. Anotar ambos valores y cambiar la velocidad de agitación 11. Repetir los pasos 7 a 10 para tres condiciones de agitación distintas 12. Manteniendo la velocidad de agitación constante, aumentar el caudal de alimentación.

Recomendaciones A fin de minimizar la concentración de O2 en la solución de alimentación, la misma se mantiene con una corriente de N2. Es muy importante conocer perfectamente el caudal de alimentación para lo cual la solución de sulfito se coloca en una probeta de 100 mL y se mide el volumen consumido a cada tiempo de medida. Para realizar los cálculos hay que corregir los valores de CA y CA* teniendo en cuanta el valor de O2 que entrega el equipo de medida de gases ya que el valor de 0.25 mM para C* ocurre sólo cuando la presión parcial de O2 es de 0.21 Atm.

NUTRICIÓN MICROBIANA Parte Experimental

OBJETIVO: Estudiar el efecto de los componentes del medio de cultivo sobre el crecimiento celular. MICROORGANISMO: se empleará una cepa de la levadura Kluyveromices lactis MEDIOS DE CULTIVO: Medio 1: Medio base: lactosa.................................. 4.0 g/l urea...................................... 2,5 “ KH2PO4................................ 1,67 “ Na2H2PO4............................. 1,67 “ CaCl2.2H2O.......................... 0,10 “ MgSO4.7H2O....................... 0,6 “ 1 ml solución madre de micronutrientes 1 ml solución madre de vitaminas pH: 5.50 antes de esterilizar Solución madre de micronutrientes: BO3H3.................................. 0,1 g/l


CuSO4.5H2O........................ 0,1 “ IK........................................ 0,1 “ FeCl3.6H2O.......................... 0,1 “ NaMoO4.2H2O..................... 0,1 “ ZnSO4.7H2O........................ 0,1 “ Esta solución se lleva a pH: 2 con SO4H2 Solución madre de vitaminas: Inositol............................ 6 mg Biotina............................ 6 “ Acido fólico.................... 6 “ H2O destilada................. 1000 ml Agitar bien y tomar 50 ml, agregarle: Pantotenato de calcio....... 40 mg Tiamina............................ 40 “ Niacina............................. 40 “ P-amino benzoico............. 20 “ Riboflavina....................... 20 “ piridoxina ........................ 80 “ Medio 2: Medio base sin solución de vitaminas, con el agregado de Extracto de levadura (0,5 g/l) Medio 3: Medio base sin Urea Medio 4: Medio base con lactosa 2 g/l.

Los ensayos se realizarán en erlenmeyer de 1000 ml conteniendo cada uno 100 ml de los

medios antes descriptos. Con el objeto de observar el efecto del suministro de O2 sobre el desarrollo celular se

empleará un erlenmeyer adicional el cual contendrá 300 ml de medio base. Al iniciar el proceso se inocularán al 10%, en forma estéril, todos los erlenmeyers con una

suspensión de levaduras en H2O. Desde el momento de la siembra y durante las 9 hs siguientes, se tomarán de cada erlenmeyer, muestras en forma esteril (una cada dos horas) sobre las que efectuarán medidas de pH y se seguirá el desarrollo microbiano por medidas de densidad óptica, realizando las diluciones correspondientes.

Con los datos obtenidos se construirá una gráfica de DO vs t para cada uno de los cinco medios de cultivo y se analizarán los resultados.

ESQUEMA DE TRABAJO:

Cultivo 1 → Control (medio base, vitam, urea). Cultivo 2 → Cambio de Vitam por Extracto de Levadura. Cultivo 3 → Sin Fte de N (urea). Cultivo 4 → Con la mitad del sustrato limitante (lactosa). Cultivo 5 → Limitado en O2. Se disminuye la transferencia de O2 triplicando

el volumen de medio de cultivo.

Esta solución se esteriliza por filtración


Se prepararán 5 fracciones diferentes: Fracción A Fte de C y E: lactosa

sales Mg y Ca microelementos: solución concentrada 1000 veces. Esterilizada en autoclave.

Fracción B Fte de N: urea. Solución madre 500 g/L. Esterilizada por filtración. Fracción C Buffer: K2HPO4 y NaH2PO4..

Esterilizada en autoclave. Fracción D Extracto de Levadura. Se agrega 0.05 g a la Fracción A del cultivo 3 antes de

esterilizarlo. Fracción E Vitaminas: solución concentrada 1000 veces.

Esterilizada por filtración. Los cultivos 1, 2, 3, y 4 deben tener 100 ml de medio. El cultivo 5 (limitado en O2) debe tener 300 ml de medio.

Fracción

1 Control

2 Sin Fte. N

3 E.L xVitam

4 1/2 Fte. C

5 lim en O2

Fracción A (ml)

90 90 90 45 + 45 ml H2O

270

Fracción B (ml)

0.5 NO 0.5 0.5 1.5

Fracción C (ml)

10 10 10 10 30

Fracción D

NO NO 0.5 g/l NO NO

Fracción E (ml)

0.1 0.1 NO 0.1 0.3

Esterilizar las fracciones mencionadas por calor e integrar junto con las fracciones esterilizadas por filtración, a cada cultivo en banco de flujo laminar.

Sembrar con suspensión de levaduras tal de obtener 0.3 unidades de Do finales en los cinco cultivos.

SISTEMA DE CULTIVO BATCH Los conocimientos hasta aquí adquiridos se aplicarán al análisis de un cultivo de levaduras. Microorganismo: Kluyveromyces lactis Medio de cultivo: lactosa ..............................................................................15,00 g/l urea ................................................................................... 2,50 g/l KH2PO4 ............................................................................. 1,67 g/l NaH2PO4 ........................................................................... 1,67 g/l MgSO4.7H2O ..................................................................... 0,60 g/l CaCl2.2H2O ........................................................................ 0,10 g/l ácido cítrico ........................................................................ 0,10 g/l H3BO3 ................................................................................. 0,10 mg/l CuSO4 ................................................................................. 0,10 mg/l KI ........................................................................................ 0,10 mg/l FeCl3 ................................................................................... 0,10 mg/l Na2MoO4 ............................................................................. 0,10 mg/l inositol ................................................................................. 6,00 µg/l biotina .................................................................................. 6,00 µg/l


acido fólico .......................................................................... 6,00 µg/l pantotenato de calcio ............................................................ 0,80 mg/l tiamina .................................................................................. 0,80 mg/l ácido nicotínico ..................................................................... 0,80 mg/l ácido p-amino benzoico ......................................................... 0,40 mg/l riboflavina ............................................................................. 0,40 mg/l piridoxina .............................................................................. 1,60 mg/l antiespumante ....................................................................... 3 gotas pH: 5,50 (ajustado con HCl o H2SO4 1N) Volumen de cultivo: 3,0 l Los fosfatos se esterilizan por calor húmedo (autoclave), fraccionados en un erlenmeyer con salida lateral, disolviendo la cantidad necesaria para preparar 2,7 l de medio de cultivo, en 500 ml de H2O y se ajusta el pH en 5,50. El resto de los componentes (excepto la urea y la solución de vitaminas) se disuelven en 2,2 l. de H2O y se ajusta el pH en 5,50. El resto de los componentes (excepto la urea y la solución de vitaminas) se disuelven en 2,2 l. de H2O, los microelementos se agregan en solución concentrada 1000 veces a razón de 1 ml/l, se ajusta el pH en 5,50 y se esterilizan, en autoclave, en el biorreactor. El tiempo de esterilización será en ambos casos de 15 min. La urea se esteriliza por filtración. Se prepara una solución madre con 500 g/l de urea y se esteriliza con membrana absoluta. Esta solución se adiciona en proporción de 6,0- ml por litro de medio de cultivo. Las vitaminas se preparan en solución concentrada 1000 veces, se esterilizan por filtración y se adicionan a razon de 1 ml/l de medio. Inóculo: Tres erlenmeyers de 1000 ml conteniendo 100 ml de medio de cultivo diluido 2,5 veces se esterilizan por calor durante 10 min. En este caso para mayor simplicidad se esterilizará el medio de cultivo completo (excepto la urea y las vitaminas que se adicionarán en proporción de 0,5 ml y de 0,1 ml de las soluciones madres). Los erlenmeyers serán sembrados el día anterior a la realización de trabajo práctico con células de levaduras provenientes de un cultivo en agar inclinado. Las mismas se resuspenden fácilmente en agua. La temperatura de incubación será en todos los casos de 30°C. PROCEDIMIENTO: 1.- Termostatizar el biorreactor a 30°C 2.- Conectar el filtro de fibra, estéril, a la entrada de gases del biorreactor. 3.- Conectar el sistema de agitación del biorreactor. Fijar la agitación en 800 rpm. 4.- Adicionar en forma estéril los fosfatos, la urea y las vitaminas al resto del medio de cultivo

contenido en el biorreactor. 5.- Calibrar el electrodo para medir O2 disuelto haciendo pasar por el biorreactor, primero una

corriente de nitrógeno y ajustando la lectura a 0% de saturación (ajuste del cero) y luego aire a un caudal de 2 l/min, ajustando con la perilla de calibración a 100% de saturación. En ambos casos, antes de realizar los ajustes, se debe dejar transcurrir 10 a 15 min. Los gases que ingresen al biorreactor deberán pasar por el filtro de fibra estéril.

6.- Calibrar los instrumentos de medida para efectuar el análisis de los gases a la salida del biorreactor (analizador de O2 y de CO2).

7.- Transvasar, en forma estéril, los tres erlenmeyers de inóculo a otro con salida lateral. 8.- Sembrar el biorreactor y aguardar 2 a 3 min. 9.- Tomar 15 mL de muestra (descartar antes 2 o 3 mL) y tomar el tiempo CERO. Anotar en cada

caso el volumen de muestra y el de descarte. 10.-Medir el porcentaje de O2 y CO2 en lo gases de salida del biorreactor Análisis de las muestras 11.- 10 mL se centrifugan 12-15 min. Guardar el sobrenadante para determinar concentración de

FCE. Lavar (una vez) con agua destilada el pellet de levaduras, centrifugar, resuspender las células con más agua destilada y hacer peso seco a 105°C.


12.- Al resto de la muestra medirle: 12.1.- pH 12.2.- DO a 620. La muestra deberá diluirse de forma tal de obtener lecturas entre 0,1 y 0,6. 12.3.- Control de contaminación por observación microscópica.

13.- Repetir los pasos 9 a 12 cada 1,5 horas. 14.- Finalizado el cultivo, medir el volumen remanente. Con este dato y los de volumen de muestra y

lavado calcular el volumen de cultivo a la hora CERO, 1,5; 3; 4,5; etc. El volumen obtenido en cada caso será el utilizado para el cálculo de rO2

y rCO2 a los correspondientes tiempos.

Análisis Los datos se volcarán en una tabla del siguiente formato y luego se harán las graficas correspondientes en función del tiempo

Hora t pH DO620 X S rO2 rCO2

C.R.

I.- Graficar ln x vs. t. y DO vs. t. Calcular µmax. II.-1 Verificar si YX se mantuvo constante durante el cultivo. II-2 Calcular YX e yX globales. II-3 Calcular el consumo global de O2 y el CO2 total producido. Con estos valores calcular b e yCO2 respectivamente. III- Verificar si se cumplen los balances de carbono y de grado de reducción. ε + η + ξ = 1 yx + yCO2 = 1

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Firma y aclaración del titular de cátedra o responsable del equipo docente

Rosario diciembre 2014

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