Guía docente de Biorreactores (2511131)

Se recomienda al estudiantado que haya completado el módulo de formación básica y que siga el orden cronológico de las enseñanzas del módulo de Ingeniería de Bioprocesos.

En el caso de utilizar herramientas de IA para el desarrollo de la asignatura, el estudiante debe adoptar un uso ético y responsable de las mismas. Se deben seguir las recomendaciones contenidas en el documento de "Recomendaciones para el uso de la inteligencia artificial en la UGR".

Cinética enzimática. Cinética del cultivo de microorganismos. Biocatalizadores inmovilizados. Reactores enzimáticos. Fermentadores discontinuos. Fermentadores continuos. Biorreactores no convencionales. Agitación, aireación y esterilización. Interacción de microrganismos. Escalado.

• Desarrollar y determinar parámetros de modelos cinéticos de procesos enzimáticos y microbiológicos. Procesos con enzimas y microrganismos inmovilizados.
• Plantear e interpretar la investigación experimental de la cinética de un proceso enzimático o microbiológico.
• Conocer las técnicas de inmovilización de biocatalizadores y analizar su implicación en la cinética del proceso.
• Diseño de medios de cultivo
• Conocer los diferentes tipos de interacciones entre microrganismos y los medios de actuación para aprovecharlas o evitarlas.
• Analizar las configuraciones más usuales en biorreactores
• Desarrollar modelos de biorreactores para el diseño y la optimización de su funcionamiento.
• Conocer las características y aplicaciones de los biorreactores pulsantes, agitados por fluidos, biorreactores de membrana y fotobiorreactores.
• Determinar las necesidades de transmisión de calor, agitación, aireación y esterilización de un biorreactor
• Conocer y aplicar los criterios de escalado al diseño de biorreactores

BLOQUE 1 – CINÉTICA DE LAS REACCIONES BIOQUÍMICAS

Tema 1. Introducción al estudio de la cinética de las reacciones bioquímicas: Tipos de reacciones bioquímicas de importancia industrial. Nociones básicas de cinética aplicada: concepto de velocidad de reacción y métodos para obtener la ecuación cinética de una reacción.

Tema 2. Cinética de las reacciones enzimáticas homogéneas: Mecanismo de la acción enzimática. Ecuaciones cinéticas para diversos tipos de reacciones enzimáticas: reacciones con un solo sustrato, reacciones con inhibición, reacciones con dos sustratos. Desactivación enzimática.

Tema 3. Cinética de las reacciones enzimáticas heterogéneas: Importancia y tipos de reacciones enzimáticas heterogéneas. Reacciones con sustratos insolubles. Inmovilización de enzimas. Reacciones con enzima inmovilizada. Influencia del transporte de materia externo e interno. Reacciones enzimáticas en medios no convencionales.

Tema 4. Cinética de los procesos con microorganismos vivos: Cinética del crecimiento microbiano. Tipos de modelos para el crecimiento y muerte celular: modelos estructurados y no estructurados. Cinética de crecimiento, consumo y producción. Factores de rendimiento. Productos asociados y no asociados al crecimiento. Interacción de microorganismos.

BLOQUE 2 – DISEÑO Y OPERACIÓN DE BIORREACTORES

Tema 5. Diseño y operación de biorreactores enzimáticos: Concepto y tipos de biorreactores. Modos de operación. Modelos de reactores ideales. Reactores enzimáticos homogéneos. Sistemas que permiten la retención de la enzima. Reactores con enzima inmovilizada: lecho fijo y fluidizado.

Tema 6. Diseño y operación de biorreactores con microorganismos vivos: Diseño de medios de cultivo. Geometrías tipo de biorreactores: reactores con y sin agitación mecánica. Modos de operación: fermentadores discontinuos, semicontinuos y continuos. Configuraciones no convencionales: fotobiorreactores, fermentadores con células inmovilizadas, reactores para fermentación en estado sólido. Biorreactores de membrana. Biorreactores pulsantes.

Tema 7. Agitación, aireación, esterilización y cambio de escala: Agitación en sistemas con y sin aeración. Transferencia de oxígeno. Esterilización de medios de cultivo. Criterios para el cambio de escala: eficiencia de la agitación, condiciones de aireación y transferencia de calor.

Prácticas con ordenador: Ajuste de datos, simulación y operación de biorreactores.

• Práctica 1: Ajuste de datos cinéticos de reacciones enzimáticas homogéneas.
• Práctica 2: Laboratorio virtual para el estudio de la cinética de una reacción enzimática homogénea (Trabajo en grupo).
• Práctica 3: Ajuste de datos cinéticos del crecimiento de microorganismos.
• Práctica 4: Simulación de biorreactores enzimáticos.
• Práctica 5: Simulación de fermentadores.

Prácticas de laboratorio

• Práctica 1: Preparación y puesta en marcha de una fermentación a escala de laboratorio.
• Práctica 2: Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno en un tanque agitado

Prácticas de campo

• Práctica 1: Visita a la Biofactoría Sur (EDAR) de Emasagra en Granada

• Doran, P.M., Principios de ingeniería de los bioprocesos, Acribia (1998). Biblioteca Ciencias: FCI/66 DOR pri
• Doran, P.M., Bioprocess engineering principles (versión original en inglés), Academic Press (1995), Biblioteca Ciencias: Doc. electrónico
• Illanes, A. (Ed.), Enzyme biocatalysis. Principles and applications, Springer (2008). Biblioteca Ciencias: Doc. electrónico
• Liu, S., Bioprocess engineering: Kinetics, Sustainabilty, and Reactor Design, Elsevier (2017). Biblioteca Ciencias: FCI/66 LIU bio, Doc. electrónico

Para acceder a la documentación en formato electrónico es necesario estar conectado al campus virtual inalámbrico de la UGR (red eduroam) o usar conexión VPN.

• van't Riet, K. y Tramper, J. Basic bioreactor design, CRC Press (1991). Despacho profesor
• Cabral, J.M.S., Mota, M. y Tramper, J. Multiphase bioreactor design, CRC Press (2001). Despacho profesor
• Weverka, & Wade, M. Office 365 all-in-one for dummies. John Wiley & Sons, Inc. (2022). Biblioteca Ciencias. Doc. electrónico
• Heys, J.J. Chemical and biomedical engineering calculations using Python. John Wiley & Sons, Inc. (2017). Biblioteca Ciencias. FCI/66 HEY che

Para acceder a la documentación en formato electrónico es necesario estar conectado al campus virtual inalámbrico de la UGR (red eduroam) o usar conexión VPN.

• Chemical and Biological Reaction Engineering – MIT Open Course
• Google Academico
• Biblioteca de la Universidad de Granada
• Lenguaje de programación Python: https://www.python.org/

• MD01. Clases de teoría 
• MD02. Clases de prácticas: Prácticas usando aplicaciones informáticas 
• MD03. Clases de prácticas: Prácticas en laboratorio 
• MD04. Clases de prácticas. Clases de problemas 
• MD06. Trabajo autónomo del alumnado 
• MD07. Tutorías 

Todo el alumnado deberá seguir la evaluación continua, tal y como se describe a continuación, salvo aquellos que puedan acogerse a la Evaluación Única Final (ver más adelante).

1. Examen teórico-práctico (70% de la nota final). Constará de dos partes: (a) Cuestiones teóricas aplicadas sobre los temas 1 al 7 (35% de la nota final); (b) Examen práctico de resolución de ejercicios de ajuste de datos y simulación de biorreactores en ordenador (35% de la nota final).
2. Entrega de ejercicios resueltos, cuestionarios e informes de prácticas (20 % de la nota final). Durante las clases teóricas y/o prácticas se propondrán al alumnado ejercicios o cuestionarios para su resolución individual.
3. Trabajo en grupo (10 % de la nota final). Consistirá en planificación y ejecución de la investigación de la cinética de una reacción enzimática en un entorno virtual que simula una experimentación real.

Para superar la asignatura por evaluación continua será necesario:

• Asistir a al menos el 80% de las clases prácticas
• Entregar más del 50% de los ejercicios propuestos
• Realizar y entregar el trabajo en grupo
• Obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en el examen teórico-práctico

Constará de dos pruebas, realizadas en un acto académico único.

1. Examen teórico-práctico (70% de la nota final). Constará de dos partes: (a) Cuestiones teóricas aplicadas sobre los temas 1 al 7 (35% de la nota final); (b) Examen práctico de resolución de ejercicios de ajuste de datos y simulación de biorreactores en ordenador (35% de la nota final).
2. Estudio cinético de una reacción bioquímica y simulación de un biorreactor en el que se lleve a cabo dicha reacción (30% de la nota final). Consistirá en planificar e investigar la cinética de una reacción bioquímica y a continuación simular un biorreactor donde tenga lugar dicha reacción, usando el software empleado en las clases prácticas.

Para superar la asignatura en la evaluación extraordinaria será necesario obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 tanto en el examen teórico-práctico como en la prueba de estudio cinético/simulación.

Quienes estén en disposición de ello y así lo soliciten, podrán conservar las calificaciones de los ejercicios o informes entregados y del trabajo en grupo obtenidas en la evaluación ordinaria, que supondrán un 30% de la nota final en la extraordinaria. De esta forma quedarán exentos/as de realizar la prueba de estudio cinético/simulación en esta convocatoria.

Se realizará en un solo acto académico, e incluirá dos pruebas.

1. Examen teórico-práctico (70% de la nota final). Constará de dos partes: (a) Cuestiones teóricas aplicadas sobre los temas 1 al 7 (35% de la nota final); (b) Examen práctico de resolución de ejercicios de ajuste de datos y simulación de biorreactores en ordenador (35% de la nota final).
2. Estudio cinético de una reacción bioquímica y simulación de un biorreactor en el que se lleve a cabo dicha reacción (30% de la nota final). Consistirá en planificar e investigar la cinética de una reacción bioquímica y a continuación simular un biorreactor donde tenga lugar dicha reacción, usando el software empleado en las clases prácticas.

Para superar la asignatura por esta modalidad de evaluación será necesario obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 tanto en el examen teórico-práctico como en el ejercicio de estudio cinético/simulación.

Medidas preventivas en los laboratorios de prácticas

El estudiante recibirá, al inicio del curso, información sobre las Normas de Seguridad y del correcto desarrollo de las prácticas. El documento estará disponible en la plataforma PRADO de la asignatura. Este documento es de obligada lectura y aplicación durante el desarrollo de las prácticas, el no cumplimiento del mismo por parte del estudiante exime de cualquier responsabilidad al profesor que imparte las prácticas y al departamento donde se desarrollen las mismas.

En el siguiente enlace (https://ssp.ugr.es/informacion/noticias/medidas-preventivas-generales-laboratorios-talleres) se adjunta una guía dirigida a estudiantado y profesorado con información relativa a buenas prácticas para los laboratorios experimentales docentes. En dicha guía se proporciona la información relativa a los principales riesgos para la seguridad y la salud asociados a las prácticas docentes en laboratorios, así como las medidas preventivas necesarias para eliminar y/o minimizar dichos riesgos. También se informa sobre el procedimiento a seguir en caso de accidente y cómo proporcionar un primer auxilio.

Alumnos con necesidades específicas de apoyo educativo (NEAE)

Siguiendo las recomendaciones de la CRUE y del Secretariado de Inclusión y Diversidad de la UGR, los sistemas de adquisición y de evaluación de competencias recogidos en esta guía docente se aplicarán conforme al principio de diseño para todas las personas, facilitando el aprendizaje y la demostración de conocimientos de acuerdo a las necesidades y la diversidad funcional del alumnado. La metodología docente y la evaluación serán adaptadas al alumnado con NEAE, conforme al Artículo 11 de la Normativa de Evaluación y de Calificación de estudiantes de la UGR, publicada en el Boletín Oficial de la UGR nº 112, de 9 de noviembre de 2016.

Información de interés para estudiantado con discapacidad y/o Necesidades Específicas de Apoyo Educativo (NEAE): Gestión de servicios y apoyos (https://ve.ugr.es/servicios/atencion-social/estudiantes-con-discapacidad).

El ajuste de resultados experimentales e integración de modelos cinéticos implican la aplicación de métodos numéricos, cálculos iterativos e integración de sistemas de ecuaciones diferenciales no lineales, para cuya realización se utilizarán, entre otros, programas en Python y material elaborado con Jupyter Notebooks.