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Fermentaciones Industriales
Docente:
Dr.
Cavalitto,
Sebastián
Dra. Luna, Flavia
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.
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