La biotecnología moderna se basa en la ingeniería genética, pero sin los procesos posteriores de separación y purificación a escala de producción, ningún bioproducto puede llegar a ser una realidad comercial. Este libro es el resultado de la experiencia del autor en la docencia y el desarrollo experimental de procesos en la industria y la universidad. Se estudian en este libro los procesos de filtración, disrupción celular, centrifugación, precipitación, floculación, extracción, adsorción/desorción, cromatografía, cristalización y secado aplicados a las industrias biotecnológicas, haciendo énfasis en los fundamentos y en el cambio de escala. Tabla de materias / Tabla de contenido (Español / Castellano): 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 Nota biográfica (Español / Castellano): Francesc Recasens Baxarias es catedrático de la Escola Tècnica Superior d?Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB), adscrito al departamento de Ingeniería Química de la UPC. Ha prestado sus servicios en Industrias Químicas Asociadas S.A., Derypol S.A., e Inprocsa durante más de 10 años. Desde la UPC ha desarrollado procesos para ARCO Chemical, ATO Chem, Polidux (Repsol), URQUIMA (química fina) , AMES (metalurgia), LPG Fire Extinguishing Systems (gases halones). Fue becario postdoctoral en la ENSIC de Nancy (Francia) en fermentaciones industriales y en la Universidad de California (Davis) donde trabajó en reactores multifásicos y fluidos supercríticos. Ha pertenecido a los grupos de trabajo High Pressure Technology y Polymer Reaction Engineering de la EFCE.
