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Programa de Doctorado: Ingeniería Química y Ambiental (2007-2008)
Asignatura: “Reactores Bioquímicos” (5 Créditos).
Código: 2149-07-1 (06) Tipo B
1. PROFESORES.
M.J. Núñez, J.M. Lema, E. Roca y C. Solá.
2. OBJETIVOS.
El objetivo del curso es que el alumno conozca la importancia que el dominio de diferentes
materias (i.e. diseño de sistemas ideales, flujo no ideal, fenómenos de transferencia de materia y
energía, selección de la instrumentación más adecuada, cambio de escala…) tienen para el
diseño y control de la operación de los biorreactores.
3. CONTENIDOS.
El curso de 5 créditos está estructurado en cuatro bloques temáticos:
I. Cinética enzimática y microbiana. Biorreactores convencionales.
II. Biorreactores no convencionales.
III. Instrumentación y monitorización avanzada de bioprocesos.
IV. Cambio de Escala.
En el primero de los bloques se abordan los diferentes aspectos básicos sobre la
operación y diseño de los biorreactores ideales teniendo en cuenta las cinéticas específicas de
los sistemas biológicos (células y enzimas). Posteriormente se analizan las no idealidades de
flujo más frecuente en los biorreactores industriales con esta configuración y como estudiarlas y
corregirlas.
El segundo bloque abarca los biorreactores avanzados o no convencionales. Se estudian
los procesos de transformación multifásicos, considerando por un lado los procesos con
biocatalizadores inmovilizados, así como las técnicas de inmovilización y la cinética de estos
biocatalizadores; y por otro los procesos aereados y la influencia de los parámetro operacionales
en la transferencia de oxígeno. Se incluye también un apartado sobre los procesos de
esterilización térmica y por filtración, de gran interés en este tipo de procesos. Por último se
estudian la configuración y operación de diversos tipos de biorreactores avanzados de
aplicación industrial.
El tercer bloque se refiere a la instrumentación y monitorización avanzada de bioprocesos en el
cual se estudian las características específicas de la instrumentación de este tipo de procesos,
considerando en análisis de determinados parámetros interesantes para establecer el estado del
sistema como p.e. la biomasa. La monitorización avanzada de estos procesos requiere del
desarrollo de sistemas para detectar ruidos en la señal, así como para el tratamiento y la
eliminación de los mismos (filtros de señal). Se hace una revisión de técnicas utilizadas para la
identificación y detección de fallos de sensores y procesos, especialmente las basadas en
sistemas expertos. Por último se hace un estudio de caso práctico de la monitorización avanzada
de reactores anaerobios de tratamiento de aguas residuales.
El último bloque del programa está dedicado al cambio de escala de biorreactores. En él se
estudian las consecuencias del cambio de escala de operación y los métodos más
frecuentemente empleados en el cambio de escala.
El programa a desarrollar durante el curso será el siguiente:
Bloque I. Biorreactores convencionales.
(Prof. María José Núñez) 10h
Tema 1. Aspectos básicos de biorreactores. Cinética aplicada. Diseño de biorreactores
ideales. Biorreactores de tanque agitado: biorreactor discontinuo de tanque agitado,
biorreactor discontinuo alimentado (fed-batch), biorreactor continuo de tanque agitado,
biorreactor continuo de tanque agitado con recirculación celular, multiplicidad y estabilidad
de estados estacionarios. Biorreactores de flujo en pistón. Flujo no ideal.
Bloque II. Biorreactores no convencionales.
Tema 2. Biocatalizadores inmovilizados. Conceptos generales. Procedimientos de
inmovilización: adsorción, enlace covalente, enlaces cruzados y autoinmovilización,
inclusión y membranas. Selección del método de inmovilización. Cinética de
biocatalizadores inmovilizados. Aplicaciones de biocatalizadores inmovilizados.
(Prof. Juan Manuel Lema) 20h
Tema 3. Agitación. Aeración. Esterilización. Aeración: Determinación experimental del
coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, dependencia del coeficiente de
transferencia de oxígeno con los parámetros operacionales, otros factores que afectan al
coeficiente de transferencia de oxígeno. Agitación. Agitación en sistemas aerados.
Esterilización: Esterilización térmica del medio de cultivo, esterilización por filtración.
Tema 4. Biorreactores no convencionales. Biorreactores de lecho fijio. Biorreactores
pulsantes. Biorreactores agitados por fluidos. Fermentadores de membrana. Biorreactores
con separación del producto “in-situ”. Fotobiorreactores.
Bloque III. Instrumentación y monitorización avanzada de bioprocesos.
(Prof. Enrique Roca) 10h
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Tema 5. Sistemas de muestreo y monitorización. Tipos de monitorización. Características
de la instrumentación de bioprocesos. Sistemas de muestreo.
Tema 6. Instrumentación. Sensores de parámetros físicos (P, T, pH, caudales de líquidos y
gases, nivel, espuma, velocidad y potencia de agitación). Sensores de parámetros químicos
(analizadores de gases, alcalinidad, FIA, etc. ). Sensores y analizadores de biomasa
(respirometría, citometría, etc.). Biosensores.
Tema 7. Filtrado de señal y detección de fallos. Monitorización de bioprocesos. Ruido en
la señal. Tipos de ruidos. Procesamiento de la señal: Filtración de la señal. Deteccion de
fallos de sensores. Detección de fallos de proceso.
Tema 8. Aplicación de la monitorización avanzada de bioprocesos. Monitorización
avanzada de procesos de tratamiento anaerobio de aguas residuales: Aspectos generales.
Variables de estado: fase gas, fase líquida y fase sólida. Monitorización y filtración de datos.
Detección de fallos.
(Prof. Carles Solá) (10 h)
Bloque IV. Cambio de Escala.
Tema 8. Cambio de escala en biorreactores. Análisis general del cambio de escala en
biorreactores. Consecuencias del cambio de escala de operación. Teoría de la similitud.
Métodos más frecuentemente empleados en el cambio de escala: Potencia por unidad de
volumen constante, coeficiente de transferencia de oxígeno constante. Análisis de régimen y
“scale down”.
4.
BIBLIOGRAFÍA.
Aiba, S. y col. (1973): “Biochemical Engineering”. 2ª Ed. University of Tokyo Press, Tokyo.
Atkinson, B. y Mavituna, F. (1991): “Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook”.
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Bailey, J. y Ollis, D. (1986): “Biochemical Engineering Fundamentals”. 2nd Ed. McGraw-Hill,
New York.
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Cheryan, G. Y Mehaia, M.A. (1985): “Membrane bioreactors for high performance
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Chisti, M.Y. (1989): “Airlift Bioreactors”. Elsevier Sci. Pub. Barking, U.K.
Fogler, H.S. (1992): “Elements of Chemical Reaction Engineering”. Prentice Hall, New Jersey.
J. Bradley, W. Stöcklein, R.D. Schmid. Biochemistry based analysis systems for bioprocess
monitoring and control. Process Control and Quality, 1 (1991): 157-183.
Levenspiel, O. (1990): ”Ingeniería de las Reacciones Químicas”. Reverté, Barcelona.
M.P. Byfield, R.A. Abuknesha. Biochemical aspects of biosensors. Biosensors and
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M.S. Switzenbaum, E. Giraldo-Gómez, R.F. Hickey. Monitoring of the anaerobic methane
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anaerobic wastewater treatment plants. Wat. Res. 36,2656-2666
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Welty, J.R., Wicks, C.E. and Wilson, R.E. . (1999). “Fundamentos de Transferencia de
Momento, Calor y Masa”. 2ª ed. Limusa Wiley, México
5.
COMPETENCIAS.
En esta materia el alumno adquirirá y practicará una serie de competencias genéricas y
específicas, propias de la ingeniería bioquímca y ambiental y en particular en el ámbito del
diseño y operación de biorreactores.
• Genéricas
1. Capacidad para la comunicación oral y escrita de conocimientos específicos del ámbito de la
Ingeniería Bioquímica, en lengua propia.
2. Revisión, análisis crítico y síntesis de resultados de artículos publicados en revistas y
bibliografía.
3. Conocimiento de informática en el ámbito de estudio.
4. Liderar y trabajar eficazmente en equipos multidisciplinares.
• Específicas
1. Comparar y seleccionar alternativas técnicas de reactores bioquímicos para diferentes
procesos biotecnológicos
2. Aplicación práctica de los fundamentos de Ingeniería Bioquímica para el diseño de
biorreactores.
3. Conocer y definir los sistemas de monitorización generales y específicos de procesos
biotecnológicos
6. METODOLOGÍA DE LA ENSEÑANZA.
La materia será impartida, en cada uno de los módulos de que consta, combinando clases de
teoría y la aplicación de los conocimientos teóricos en la realización de casos prácticos para
ampliarlos y afianzarlos.
A. Las clases teóricas serán impartidas como sigue:
- Al inicio del tema 1 se dedicarán 2 horas a conceptos fundamentales del tema, que se
complementarán en la resolución de una serie de problemas. El tema 2 tiene una mayor carga
teórica, cuya comprensión se plasmará en 2-3 problemas realizados como parte final del tema.
- En los temas 3 y 4 se estudian los sistemas de aireación agitación y, en especial, se dedican
varis sesiones al estudio de reactores no convencionales, considerando ventajeas e
inconveientes, analizadas conceptualmente, de cada tipo de disposición
- En los temas 5 y 6 se revisarán los aspectos particulares de los sistemas de muestreo, la
instrumentación y los sistemas de monitorización que se aplican en bioprocesos, estudiándose
técnicas específicas de estos sistemas como los de caracterización de biomasa. En el tema 7 se
revisarán las metodologías empleadas para la filtración de señal y su utilidad en el
planteamiento de sistemas de detección de fallos de proceso y sensores, así como su conexión
con los sistemas de control. Sobre la base del tema 7 se planteará un caso práctico de desarrollo
de un sistema de monitorización de un bioproceso.
- El tema 8 se refiere básicamente al estudio de las metodologías de escalado, utilizando para
ello diversas metodologías. Se considera también el scale-down de procesos,
B. Las clases prácticas se distribuyen de la siguiente forma:
Aproximadamente un 50% de las clases de cada bloque son de tipo práctico.
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Entre los contenidos teóricos se insertarán ejemplos prácticos. Los alumnos trabajarán en los
diferentes apartados, sobre ejemplos prácticos de aplicación de los diferentes conceptos y
contenidos revisados en las clases de teoría. El último día del curso se presentarán y discutirán
en el aula los resultados de los trabajos.
7. METODOLOGÍA DEL APRENDIZAJE.
Los alumnos trabajarán en grupos de alrededor de dos o tres participantes cada uno. Cada grupo
trabajará sobre la base de un caso práctico sobre el que aplicarán los conceptos y metodologías
revisadas en la parte teórica. Finalmente cada grupo elaborará un documento/informe sobre el
trabajo realizado, el cual se presentará y debatirá con los profesores para resolver los problemas
encontrados y aclarar las dudas existentes.
8.
EVALUACIÓN.
La evaluación se basa en la realización de diversos estudios prácticos sobre cada uno de los
bloques que constituyen el programa de la materia y en la participación del alumno en clase.
9. TIEMPO DE ESTUDIO.
La materia consta de 5 créditos, calculando una carga total de trabajo para el alumno de 75
horas. El desglose de horas para cada una de las actividades implicadas en la materia se
presenta en la Tabla 1.
Tabla 1. Desglose de horas en las distintas actividades que componen la materia.
Horas teóricas
Tutorías obligatorias
Horas prácticas
Exposición trabajo
Total
Horas
presenciales
22
3
22
3
50
Factor
0,5
0,5
1
Horas trabajo
autónomo
11
11
3
25
Total
33
3
33
6
75
10. RECOMENDACIONES.
Es recomendable que el alumno tenga conocimiento en el manejo de MS Word, Excel y
PowerPoint. Es aconsejable un dominio básico del inglés puesto que parte de la documentación
del curso se encuentra en ese idioma, además se precisa para una adecuada consulta de libros,
artículos científicos y páginas web.
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