Manual Teórico-Experimental de Bio-ingeniería para Ingenieros Químicos

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Título :	Manual Teórico-Experimental de Bio-ingeniería para Ingenieros Químicos
Autor :	CRUZ DIAZ, MARTIN ROGELIO
Fecha de publicación :	2017
Resumen :	Actualmente el Ingeniero Químico desempeña actividades relacionadas con Ingenierías del medio ambiente y/o procesos Biotecnológicos. Por ejemplo: encontramos Ingenieros Químicos trabajando en plantas de tratamiento de aguas residuales, en plantas procesadoras de residuos orgánicos por composteo, en producción de biogás, en procesos fermentativos de la industria cervecera y del tequila, entre otras. En los ejemplos previamente mencionados, se requiere un conocimiento, de por lo menos básico, de cinética enzimática, cinética microbiana y diseño de biorreactores, aunque dichos campos de estudio tiene una fuerte relación con la cinética química y diseño de reactores homogéneos y heterogéneos, es importante resaltar que la principal diferencia consiste que las enzimas y los microorganismos son los materiales biológicos que actúan como catalizadores. Por lo tanto, el objetivo de la presente propuesta es implementar las estrategias teórico-experimentales para que los alumnos de Ingeniería Química, aprendan a estudiar y manipular, con prácticas de laboratorio (reales o virtuales), a las enzimas y a los microorganismos, a través del estudio (bio)cinético y la implementación de un proceso fermentativo en un biorreactor escala laboratorio. Así mismo, se pretende que los alumnos desarrollen la habilidad para integrar el conocimiento de la cinética enzimática y microbiana, en conjunto con los balances de materia, para proponer modelos matemáticos que describan el comportamiento experimental de un biorreactor. En este punto, es importante resaltar que las ecuaciones de diseño de un biorreactor homogéneo o heterogéneo, comprende un conjunto de ecuaciones algebraicas y diferenciales ordinarias (EDO) o parciales (EDP) altamente no lineales, las cuales se tienen que resolver con métodos numéricos, una alternativa para resolver el conjunto de ecuaciones es a través de programas (softwares) comerciales, en la propuesta se utilizará el software flexpde version profesional que utiliza el método de elemento finito; por consiguiente, se editarán tutoriales virtuales en donde el alumno aprenderá a introducir las ecuaciones, las condiciones iniciales y de frontera, declaración de gráficos visuales para observar la dinámica o el perfil de concentración. El fin es que los alumnos propongan modelos a través de la variación de parámetros y simulación se pueda predecir el posible comportamiento de un proceso fermentativo. Por lo tanto, en la presente propuesta se establece realizar tres prácticas de laboratorio para estudiar: 1. La cinética enzimática de la catalasa utilizando peróxido de hidrogeno como sustrato. 2. La cinética microbiana de una bacteria láctica (se tomará de un liofilizado comercial) utilizando medio de cultivo MRS. 3. Realizar fermentaciones en un biorreactor que pueda funcionar en modo intermitente, continuo e intermitente alimentado. En cada práctica se propone el modelamiento y simulación. Todas las actividades se editaran con el software "a tube catcher", los videos formarán parte del manual en versión electrónica.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/6086
metadata.dc.contributor.responsible:	CRUZ DIAZ, MARTIN ROGELIO
metadata.dc.coverage.temporal:	2017-2018
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura
metadata.dc.description.hypothesis:	La asimilación del conocimiento de los bioprocesos para un Ingeniero Químico, se puede lograr de forma eficiente si se desarrolla un manual expeimental-virtual abordando los conceptos bioquímicos, de cinética enzimática y microbiana y diseño de biorreactores desde el punto de vista de elementos de Ingeniería de las reacciones químicas.
metadata.dc.description.strategies:	1. Practica de cinética enzimática. La práctica se realizará en un biorreactor en modo intermitente. En un matraz Erlen-Meyer de 125 mL se colocará un agitador magnético, se adicionarán 25 mL de solución madre de catalasa amortiguada con solución tampón de fosfatos a un pH de siete, el matraz se cerrará con un tapón de hule con dos entradas, en una de las entradas se insertará una jeringa de 5 mL de capacidad que contendrá solución de agua oxigenada comercial, en el segundo orificio se colocará un tubo de vidrio de 3mm, el cual servirá para liberar el oxigeno producido de la descomposición del agua oxigenada por la acción de la enzima catalasa, el extremo final del tubo se introducirá en una probeta invertida llena de agua, la cual se introducirá en una tina con agua. Al tiempo cero se realizará el disparo de agua oxigenada contenido en la jeringa, y se comenzará a registrar a diferentes intervalos de tiempo, el desplazamiento de volumen de agua en la probeta por el oxigeno producido. Posteriormente, con una ecuación de estado se transformarán las unidades de volumen de oxigeno producido a concentración de oxigeno producido. A partir de los datos experimentales proponer un modelo matemático enzimático que describa la cinética de reacción de la enzima catalasa, así mismo encontrar el valor de las constantes cinéticas, tales como: velocidad máxima, constante de saturación, constante de recambio, entre otras. Bajo este mismo esquema, se propondrá estudiar el efecto de las siguientes variables: temperatura, valor de pH, concentraciónes de catalasa, concentración de peróxido de hidrogeno (sustrato); así mismo se puede utilizar un segundo sustrato (Por ej. etanol) como inhibidor. En todos los ensayos se buscarán los modelos cinéticos enzimáticos que representen la velocidad de reacción. 2. Practica de cinética microbiana. La práctica de cinética microbiana consistirá de dos etapas. En la primera se estudiará la curva de crecimiento de un microorganismo. En la segunda se estudiará la cinética microbiana. Curva de crecimiento. Un sobre de 200mg de un liofilizado comercial de una bacteria láctica (por ej. lactobacillus acidophillus, casei, porogen, etc), se activarán por tres horas en un volumen de 20mL de agua isotónica de cloruro de sodio. Posteriormente, los 20mL de bacterias activadas se inocularán en 180mL de medio de cultivo MRS, previamente esterilizado, contenidos en un matraz Erlen-Meyer de 250mL con agitador magnético, la inoculación se realizará en una área desinfectada y en medio de dos mecheros Fisher (arco de fuego de esterilización). A partir de este momento se tomarán muestras a diferentes tiempos y se determinará las unidades de absorbancia (equivalentes a peso seco) en un espectrofotómetro. Con la curva de crecimiento obtenida se establecerá el tiempo de duración de la fase lag (fase de adaptación), fase exponencial (tasa de crecimiento lineal), fase estacionaria y fase de muerte. Con base en esta curva se determinará el tiempo necesario para que las bacterias se encuentre terminando la fase exponencial, en esta etapa las bacterias están maduras y se pueden tomar para realizar los estudios de cinética microbiana. Cinética microbiana Se realizará en un biorreactor en modo intermitente. En un matraz Erlen-Meyer de 250 mL se colocará un agitador magnético, se adicionarán 120mL de solución madre del medio de cultivo MRS esterilizado, posteriormente se le adicionará 20mL inoculo de bacterias lácticas, previamente propagadas y en crecimiento de fase exponencial-estacionaria, el matraz se cerrará con un tapón de hule con tres entradas, en una de las entradas se insertará una jeringa de 5 mL para tomar muestra a diferentes intervalos de tiempo, a las muestras se les determinará concentración del consumo de glucosa (método de DNS), concentración del ácido láctico producido (cromatógrafo de gases) y crecimiento celular (peso seco y por unidades de absorbancia). En el segundo orificio se colocará un electrodo de pH para ir monitoreando los cambios de pH, indicativo de la producción del ácido láctico. En el tercer orificio se insertará un termómetro de virio para registrar la temperatura de la cinética. Bajo este mismo esquema, se propondrá estudiar el efecto de las siguientes variables: temperatura, valor de pH, concentración de inoculo, concentración sustrato (glucosa). En todos los ensayos se buscarán modelos cinéticos microbiano que representen la velocidad de biorreacción. 3. Fermentación de ácido láctico en un biorreactor Se realizará la fermentación del ácido láctico en un fermentador que pueda funcionar en modo intermitente, continuo y lote alimentado. A partir de los datos de cinética microbiana se plantearán los balances de materia (sustrato, biomasa y producto)del biorreactor. Se seguirá el mismo procedimiento que se planteó en la práctica de cinética microbiana, pero ahora el volumen del fermentador será de 2.0L y el fermentador tendrá bafles, un controlador de pH, y una chaqueta. Objetivo General El objetivo general de la presente propuesta es desarrollar un manual teórico-experimental en formato electrónico para las materias de Biorreactores o Bioengeniería que cursan los alumnos de Ingeniería Química en octavo o noveno semestre. Específicos Para alcanzar el objetivo general de la presente propuesta, se establece realizar tres prácticas de laboratorio para estudiar: 1. La cinética enzimática de la catalasa utilizando peróxido de hidrogeno como sustrato. 2. La cinética microbiana de una bacteria láctica (se tomará de un liofilizado comercial) utilizando medio de cultivo MRS. 3. Las fermentaciones en un biorreactor que pueda funcionar en modo intermitente, continuo e intermitente alimentado. 4. En cada práctica se propone el modelamiento y simulación. Todas las actividades se editaran con el software "a tube catcher", los videos formarán parte del manual en versión electrónica.
metadata.dc.description.goals:	1. Se implementó la infraestructura para realizar tres practicas de laboratorio para las materias: Biorreactores o Bioingeniería. a) Practica de la enzima catalasa utilizando peróxido de hidrógeno (agua oxigenada comercial) como sustrato, se utilizó el modelo de Michaelis-Menten. b) Practica de la curva de crecimiento de la batería Bacillus coagulans en medio MRS. c) Practica de fermentación de la bacteria Láctobacillus acidophilus en biorreactor de 3L. 2. Se realizaron dos videos electrónicos de las practicas de catalasa y otro de la curva de crecimiento de la bacteria Bacillus coagulans. 3. En vez de un tutorial de modelamiento y simulación, se realizó un capítulo sobre los mecanismos y modelos de cinética enzimática. 4. Se implementó un biorreactor para realizar la practica de catalasa, se habilitó un biorreactor de 3L de marca Applikon en modo intermitente para realizar practicas de cinética enzimática y fermentaciones.
metadata.dc.description.selfAssessment:	El logro más importantes del presente proyecto fue habilitar un biorreactor de 3L de la marca Applikon TM, el cual estuvo 10 años inhabilitado por la falta de varios accesorios y por la falta de conocimiento de la operación del biorreactor. Actualmente el biorreactor se encuentra funcionando en modo intermitente y cuenta con una controlador de pH, temperatura, oxígeno disuelto y velocidad de agitación. cuenta con el software Bioexpert de la misma marca y con una computadora para registrar en línea el valor de las diferentes variables en función del tiempo de fermentación. En el presente semestre se realizarán las tres practicas en el biorreactor Applikon. En términos generales, mucho del trabajo se centro en la instalación y puesta en marcha del biorreactior Applikon, y por lo tanto se cuenta con un banco experimental para realizar practicas de cinética enzimática y fermentaciones. Así mismo el sistema servirá para que los alumnos de los laboratorios de cinética química y reactores. Por lo tanto, consideramos que se cumplió al 100% el objetivo principal, el cual fue implementar un sistema experimental para realizar practicas de las materias de bioengeniería o biorreeactores. En términos generales se logró el 100% de las metas.
metadata.dc.description.goalsAchieved:	1. Infraestrictura para realizar tres practicas de laboratorio de la materia de biorreactores o bioenginiería. 2. Un manual teórico-practico de bioenginiería en formato electronico. 3. Tutorial de modelamiento y simulación de cinetica enzimatica, microbiana y de biorreactores con el software comercial flexpde (elemento finito). El tutorial de modelamiento y simulación será en formato electronico. 4. Construcción de un banco de biorreactores escala laboratorio instrumentado.
metadata.dcterms.provenance:	Facultad de Estudios Superiores (FES) Cuautitlán
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ingenierías
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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