Procesos de Separación de Biotecnología Industrial

Prefacio

1. Procesos de bioseparación
1.1¿Qué separamos en la bioseparación?
1.2 ¿A qué es debido el elevado coste de bioseparación?
1.3 Características de los procesos de separación: el agente de separación
1.4. Diagrama de bloques de un ejemplo: la recuperación de los antibióticos
1.5 Conclusiones

2. Filtración
2.1 Factores que intervienen en la filtración
2.1.1 Medios filtrantes y filtros industriales
2.2 Teoría de la filtración
2.3 Filtración a presión constante. Torta incompresible
2.3.1 Torta incompresible y compresible: datos de compresibilidad
2.3.2 Mejora de la velocidad de filtración
2.4 Selección de un filtro continuo a presión constante: cálculo del caudal medio
2.5 Cálculo del lavado
2.5.1 Volumen de lavado
2.5.2 Tiempo de lavado
2.6 Cálculo de un filtro industrial a partir de datos de laboratorio
2.7 Consideraciones finales y recomendaciones
2.8 Notación

3. Centrifugación
3.1 Velocidad terminal en un fluido por acción de la gravedad
3.1.1 Movimiento de una partícula en un campo centrífugo
3.1.2 Tiempo de sedimentación en una centrífuga
3.2 Centrífuga de cesta tubular: el valor Sigma
3.3 Centrífuga de discos: valor Sigma
3.4 Utilidad de la teoría Sigma
3.4.1 Concepto de rendimiento de una centrífuga
3.4.2 Cambio de escala. Pruebas en una máquina piloto
3.5 Centrífuga filtrante
3.6 Ultracentrifugación en biología molecular y biotecnología
3.6.1 Coeficiente de sedimentación
3.6.2 Determinación del peso molecular con la ultracentrífuga analítica
3.6.3 Sedimentación en un gradiente de densidad
3.7 Consideraciones finales
3.8 Nomenclatura

4. Disrupción celular
4.1 La membrana celular
4.1.1 Resistencia mecánica de la membrana: ósmosis y choque osmótico
4.2 Rotura celular con reactivos químicos
4.2.1 Detergentes
4.2.2 Solventes
4.2.3 Enzimas y antibióticos
4.3 Disrupción mecánica
4.3.1 Homogeneización
4.3.2 Termodinámica
4.3.3 Molinos de bolas
4.4 Consideraciones finales

5. Floculación
5.1 Fundamentos de la floculación
5.2 La estabilidad de los coloides liofóbicos
5.2.1 La doble capa eléctrica
5.2.2 La concentración de coagulación: regla de Schulze-Hardy
5.3 La coagulación de coloides industriales
5.4 Los floculantes sintéticos industriales
5.4.1 Los floculantes en biotecnología
5.5. Consideraciones finales. Diseño del floculador de planta
5.6 Notación

6. Precipitación
6.1 La solubilidad de las proteínas
6.1.1 Estructura y tamaño
6.1.2 Carga eléctrica de la proteína en disolución
6.1.3 Efecto de los solventes no solventes en el medio
6.1.4 Precipitación por efecto salino
6.1.5 Más sobre el efecto de las sales: la ecuación de Cohn
6.1.6 Precipitación por calor
6.2 Cinética de precipitación de proteínas en un tanque agitado
6.2.1 Mezcla rápida
6.2.2 Nucleación
6.2.3 Floculación browniana: crecimiento pericinético
6.2.4 Floculación por esfuerzos de corte del agitador: agregación ortocinética
6.2.5 Ruptura y degradación mecánica del precipitado
6.3 Precipitación de proteínas a mayor escala: las reglas del cambio de escala
6.3.1 Cambio de escala manteniendo P/V = constante: gradientes de corte máximos
6.3.2 Cambio de escala manteniendo el gradiente de corte constante: valores resultantes de P/V
6.4 Conclusiones
6.5 Notación

7. Extracción líquido-líquido
7.1 Fundamentos de la extracción
7.1.1 Constantes de equilibrio: solventes de extracción
7.1.2 Selección del disolvente
7.1.3 Sistemas de tipo I y de tipo II: coordenadas rectangulares
7.2 Cálculo del número de etapas de equilibrio
7.2.1 Un mezclador-sedimentador continuo o discontinuo
7.2.2 Contactos con corrientes cruzadas (o por cargas sucesivas)
7.2.3 Multietapa a contracorriente, líquidos parcialmente miscibles
7.2.4 Rendimiento de etapa y rendimiento global
7.3 Disoluciones diluidas, solventes totalmente inmiscibles
7.3.1 Aplicaciones en biotecnología
7.3.2 Factor de extracción y ecuación de Kremser
7.4 Extracción de antibióticos, pH swing y extracción inversa o re-extracción
7.5 Extracción diferencial con contacto continuo
7.5.1 Transferencia de masa
7.5.2 Balance de masa en un dz de torre
7.5.3 Cálculo de NTUOx
7.5.4 El extractor como un intercambiador de calor (v. figura 7.14)
7.6 Cálculo y selección de columnas industriales
7.6.1 Altura equivalente a un plato teórico (o HETS)
7.6.2 Aparatos industriales de extracción
7.6.3 Especificación de un extractor industrial y cambio de escala
7.7 Extracción con un solvente acuoso bifásico
7.7.1 Balance de soluto en la extracción acuosa
7.7.2 Líneas de enlace en un solvente bifásico
7.8 Conclusiones
7.9 Notación

8. Adsorción
8.1 Fundamentos de la adsorción y aplicaciones a la biotecnología
8.2 Velocidad y equilibrio de adsorción según Langmuir
8.2.1 Otras isotermas: la isoterma lineal y de Freundlich
8.2.2 Energética
8.2.3 Regeneración térmica
8.2.4 Regeneración del adsorbente en biotecnología
8.2.5 Isoterma de Freundlich
8.2.6 Isoterma generalizada para carbón activado
8.3 Cálculo de las operaciones de adsorción
8.3.1 Una o diversas etapas de contacto. Operaciones por cargas
8.3.2 Operación de adsorción en lecho fijo, isoterma lineal
8.3.3 Perfil parabólico intrapartícula y fuerza impulsora lineal
8.3.4 Equilibrio local (o en un centro activo)
8.3.5 Modelo de la adsorción en lecho fijo: curva de ruptura
8.4 Operación de desorción de soluto de un lecho fijo, en el caso de una isoterma lineal
8.4.1 Resumen de las soluciones del modelo de adsorción lineal
8.5 Pérdida de carga por fricción en lechos porosos
8.6 Cálculo empírico del cambio de escala: método LUB
8.6.1. Cálculo de la LUB a partir de pruebas a escala reducida
8.7 Momentos de la respuesta temporal
8.8 Cambio de escala basado en los parámetros del modelo
8.8.1 Metodología de cambio de escala más simple
8.8.2 Metodología de cambio de escala más elaborada
8.9 Adsorción no lineal: isoterma de Freundlich
8.9.1 Isoterma no lineal: cálculo del punto de ruptura
8.9.2 Estimación del punto de ruptura. Diseño del adsorbedor
8.10 Evaluación de los parámetros y consideraciones finales
8.11 Notación

9. Cromatografía
9.1 Fundamentos de la cromatografía de elución
9.1.1 Velocidad del frente de onda de un componente
9.2 Análisis de una columna como una serie de N adsorbedores
9.2.1 Consecuencias
9.2.2 Efecto de la transferencia de masa
9.3 Análisis de la columna continua
9.4 Eficacia de la columna: ecuación de Van Deemter
9.5 Parámetros que definen la separación de dos componentes
9.5.1 Resolución de dos picos
9.5.2 Control de la resolución
9.5.3 Control de la anchura del pico
9.6 Diseño de la columna, separación de proteínas y cambio de escala
9.6.1 Velocidad de operación de la columna y difusividad de los solutos
9.6.2 Diámetro de partícula
9.6.3 Diseño por cambio de escala en cromatografía
9.6.4 Otras reglas de cambio de escala de las columnas y los lechos fijos
9.6.5 Columnas de purificación de proteínas: regla de Yamamoto
9.6.6 Utilización de columnas en paralelo
9.7 Tipos de cromatografía más utilizados en biotecnología
9.7.1 Cromatografía de intercambio iónico
9.7.2 Cromatografía de afinidad
9.7.3 Permeación sobre gel (GPC o de exclusión por tamaño)
9.8 Consideraciones finales
9.9 Notación

10.Filtración tangencial
10.1 Los procesos de filtración tangencial
10.2 Los fundamentos de la filtración tangencial
10.2.1 Definiciones: factor de concentración, rendimiento, presión osmótica y Dp
10.2.2 Factor de retención y propiedades de la membrana
10.2.3 Membranas comerciales
10.2.4 Diseño del proceso de UF
10.3 Modelos de transporte de soluto a través de la membrana
10.3.1 Modelo de resistencias en serie: cálculo del flujo
10.3.2 Modelo de transferencia de masa: cálculo del flujo
10.3.3 Polarización y concentración de gelificación
10.3.4 Coeficientes de transferencia de masa
10.4 Microfiltración
10.4.1 Flujo de permeación en MF
10.5 Operaciones y procesos de filtración tangencial en biotecnología
10.5.1 Proceso de concentración: operación por cargas con recirculación
10.5.2 Operación de concentración: proceso por cargas (con recirculación) Caso de polarización b = 1
10.5.3 Proceso de concentración en continuo: una etapa o varias etapas en serie
10.5.4 Proceso de diafiltración (DF): operaciones de lavado o de cambio de tampón
10.6. Módulos comerciales premontados para la filtración tangencial
10.7. Cambio de escala de la filtración tangencial
10.8 Consideraciones finales y conclusiones
10.9 Notación

11. Cristalización
11.1 Fundamentos de la cristalización
11.1.1 Cristales
11.1.2 Sobresaturación
11.1.3 Pureza
11.1.4 Velocidad de nucleación
11.1.5 Velocidad de crecimiento de un cristal
11.2 Cristalización de bioproductos. Operaciones por cargas y continuas
11.3 Distribución de las medidas de los cristales (DMC), número de cristales y densidad de la población
11.3.1 Operaciones de cristalización: proceso continuo
11.3.2 Función de densidad de la población
11.3.3 Momentos
11.3.4 Tamaño de cristal predominante, más frecuente o de diseño
11.3.5 Coeficientes cinéticos
11.3.6 Número de cristales por kg de producto
11.3.7 Relación velocidad de nucleación vs. velocidad de producción
11.4. Cristalización discontinua
11.4.1 Enfriamiento: Perfil Temperatura-Tiempo a sobresaturación constante
11.4.2 Cristalización discontinua con dilución
11.4.3 Cálculo del proceso de cristalización con dilución
11.5 Cristalizadores industriales
11.6 Cambio de escala de los cristalizadores
11.7 Nomenclatura

12.Secado
12.1. Los secaderos
12.1.1 El contacto gas-sólido
12.1.2 Perfiles de temperatura en un secadero
12.2 Fundamentos del secado de sólidos
12.2.1 Secaderos discontinuos de contacto directo. Velocidad de secado: régimen de velocidad de secado constante
12.3 Secaderos industriales
12.4 Secaderos discontinuos de contacto indirecto
12.4.1 El caso más sencillo: secado por conducción, tiempo de secado. Secadero de bandejas y liofilizador
12.4.2 Secadero industrial de bandejas. Cálculo preciso de la transmisión de calor
12.5 Secaderos adiabáticos continuos
12.5.1 Balances de masa y entalpía en secaderos continuos
12.5.2 Fluidización y secadero de lecho fluidizado. Cálculo semiempírico
12.6 Consideraciones finales
12.7 Notación

13.Diseño y evaluación económica de bioprocesos
13.1 Diseño de proceso
13.2 Tipos de estimaciones de diseño, su coste y precisión
13.3 Diseño y evaluación económica
13.4 Economía del proceso
13.4.1 Estimación del coste de capital
13.4.2 Estimación de los costes de producción
13.5 Estudio de un caso: producción de la proteína GMF. Diseño y evaluación económica de la inversión
13.5.1 Proceso de producción de la proteína
13.5.2 Costes de la sección de fermentadores (o biosíntesis)
13.5.3 Costes de la sección de separación (o de procesado posterior)
13.5.4 Inversión total y costes anuales para la producción de GMF
13.6 Evaluación económica de un proyecto
13.6.1 Valor temporal del dinero
13.6.2 Evaluación de proyectos mediante el flujo de caja descontado
13.6.3. Comentarios sobre el método del flujo de caja: estudio de sensibilidad
13.7 Consideraciones finales y recomendaciones
13.8 Nomenclatura

Anexos
Anexo A. Teorema de Van der Laan
Anexo B. Tamaños de partícula y análisis granulométrico
Anexo C. Aire húmedo y diagrama psicrométrico

Bibliografía