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 cinético de las reacciones bioquímicas: Concepto y 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. 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.

Tema 8. Consideraciones técnicas para la construcción y operación de biorreactores. Reglas generales para la selección del tamaño y materiales de construcción de un biorreactor. Manejo y construcción de recipientes a presión. Riesgos de operación. Otras consideraciones prácticas.

Seminarios: Resolución de problemas con calculadora científica.

• Seminario 1: Ajuste de datos cinéticos de reacciones enzimáticas homogéneas: reacciones irreversibles y reversibles de un sustrato. Cinética de Michaelis-Menten
• Seminario 2: Estudio cinético del crecimiento de microorganismos. Determinación de la velocidad específica de crecimiento y del rendimiento biomasa/sustrato y producto/sustrato.
• Seminario 3: Diseño (dimensionamiento) y operación de reactores enzimáticos discontinuos y continuos. Comparación de modelos ideales.
• Seminario 4: Diseño (dimensionamiento) y operación de fermentadores discontinuos y continuos.

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

• Práctica 1: Estudio del tipo de inhibición enzimática mediante linealizaciones de Lineweaver-Burk.
• Práctica 2. Obtención y análisis de la curva de crecimiento de un microorganismo. Curvas ln(X) vs tiempo y mu(X) vs tiempo.
• Práctica 3: Simulación de un biorreactor enzimático con enzima inmovilizada. Implementación del modelo en un lenguaje de programación.
• Práctica 4: Simulación de un fermentador discontinuo.
  • Parte 1: Implementación del modelo en un lenguaje de programación.
  • Parte 2: Uso del simulador de procesos SuperPro Designer.

Prácticas de laboratorio:

• Práctica 1: Estudio cinético experimental de una reacción enzimática.

Trabajo en grupo: Laboratorio virtual para el estudio de la cinética de una reacción enzimática homogénea. Se realizará durante las sesiones prácticas.

Visitas a industria: 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). A continuación se especifican las herramientas de evaluación junto con su peso en la calificación final:

• Evaluación de las prácticas/seminarios (5% de la nota final): Se usarán para ello cuestionarios que se plantearán a los alumnos durante las sesiones prácticas y/o seminarios. No necesariamente se realizarán dichos cuestionarios en todas las sesiones.
• Trabajo en grupo (10% de la nota final): Consistirá en la planificación y ejecución de una investigación cinética de una reacción enzimática en un entorno virtual que simula una experimentación real.
• Examen de prácticas (15% de la nota final): Se llevará a cabo en aula de informática y tratará sobre los contenidos trabajados en las sesiones prácticas 1 a 4.
• Examen teórico-práctico (70% de la nota final): Tendrá dos partes: (a) Cuestiones teóricas aplicadas sobre los temas 1 al 8 (35% de la nota final); (b) Ejercicios de ajuste de datos y simulación de biorreactores (35% de la nota final). Los ejercicios que lo requieran se realizarán con calculadora científica no programable.

Para superar la asignatura por evaluación continua será necesario:

• Responder al menos al 70% de los cuestionarios realizados en las sesiones de prácticas y/o seminarios.
• Realizar y entregar el trabajo en grupo.
• Realizar y entregar el examen de prácticas.
• Obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en el examen teórico-práctico

Los estudiantes podrán presentarse a la convocatoria extraordinaria independientemente de haber seguido o no un proceso de evaluación continua. Constará de dos pruebas, realizadas en un acto académico único, que permitirán obtener el 100% de la calificación final:

1. Examen teórico-práctico (70% de la nota final): Tendrá dos partes: (a) Cuestiones teóricas aplicadas sobre los temas 1 al 8 (35% de la nota final); (b) Ejercicios sobre ajuste de datos y simulación de biorreactores (35% de la nota final). Los ejercicios que lo requieran se realizarán con calculadora científica no programable.
2. Examen de prácticas (30% de la nota final): Se realizará con ordenador. Constará de dos partes:
   • Cuestiones sobre planificación experimental, ajuste de datos y estudio cinético de una reacción enzimática.
   • Simulación de un biorreactor usando el software empleado en las 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 el de prácticas. Quienes estén en disposición de ello (calificación media de 5 como mínimo) y así lo soliciten, podrán conservar las calificaciones obtenidas en la evaluación continua (cuestionarios de prácticas, trabajo en grupo, examen de prácticas), que supondrán un 30% de la nota final en la extraordinaria. De esta forma quedarán exentos/as de realizar el examen de prácticas en esta convocatoria.

De acuerdo con la Normativa de Evaluación y de Calificación de los Estudiantes de la UGR, se contempla la realización de una evaluación única final a la que podrán acogerse aquellos estudiantes que no puedan cumplir con el método de evaluación continua por algunos de los motivos recogidos en el Artículo 8.

Para acogerse a la evaluación única final, el estudiante, en las dos primeras semanas de impartición de la asignatura, en las dos semanas siguientes a su matriculación si ésta se ha producido con posterioridad, o más tarde si hay causa sobrevenida, lo solicitará a través de la sede electrónica, alegando y acreditando las razones que le asisten para no poder seguir el sistema de evaluación continua.

Los contenidos a evaluar corresponderán al temario detallado de la asignatura, tanto en la parte teórica como en la práctica. Constará de las pruebas siguientes, en las que se valorarán las competencias desarrolladas en la asignatura:

1. Examen teórico-práctico (70% de la nota final): Tendrá dos partes: (a) Cuestiones teóricas aplicadas sobre los temas 1 al 8 (35% de la nota final); (b) Ejercicios sobre ajuste de datos y simulación de biorreactores (35% de la nota final). Los ejercicios que lo requieran se realizarán con calculadora científica no programable.
2. Examen de prácticas (30% de la nota final): Se realizará con ordenador. Constará de dos partes:
   • Cuestiones sobre planificación experimental, ajuste de datos y estudio cinético de una reacción enzimática.
   • Simulación de un biorreactor usando el software empleado en las 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 de prácticas.

1. 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.

2. Inclusión y Diversidad de la UGR

En el caso de estudiantes con discapacidad u otras NEAE, el sistema de tutoría deberá adaptarse a sus necesidades, de acuerdo a las recomendaciones de la Unidad de Inclusión de la UGR, procediendo los Departamentos y Centros a establecer las medidas adecuadas para que las tutorías se realicen en lugares accesibles. Asimismo, a petición del profesorado, se podrá solicitar apoyo a la unidad competente de la Universidad cuando se trate de adaptaciones metodológicas especiales. Información de interés para alumnado 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).

3. Evaluación por incidencias

Podrán solicitar evaluación por incidencias, los estudiantes que no puedan concurrir a las pruebas finales de evaluación o a las programadas en la Guía Docente con fecha oficial, por alguna de las circunstancias recogidas en el artículo 9 de la Normativa de evaluación y de calificación de los estudiantes de la Universidad de Granada, siguiendo el procedimiento indicado en dicha normativa.

4. 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.

5. Medidas de seguridad durante visitas a industria

El estudiante recibirá al inicio del curso información sobre las normas de seguridad y del correcto desarrollo de las visitas. El documento estará disponible en la plataforma PRADO de la asignatura. Este documento es de obligada lectura y aplicación durante el desarrollo de la visita, el no cumplimiento del mismo por parte del estudiante exime de cualquier responsabilidad al profesor/es que acompaña/n a los alumnos/as, así como a la Universidad de Granada y a cualquiera de sus miembros.

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.