Guía docente de la asignatura

Biorreactores

Curso 2021 / 2022
Fecha última actualización: 18/06/2021
Fecha de aprobación: 18/06/2021

Grado

Grado en Biotecnología

Rama

Ciencias

Módulo

Ingeniería de Bioprocesos

Materia

Biorreactores

Curso

3

Semestre

1

Créditos

6

Tipo

Obligatoria

Profesorado

Teoría

  • Miguel García Román. Grupos: A

Prácticas

  • Deisi Altmajer Vaz. Grupos: 1 y 2
  • Miguel García Román. Grupos: 1 y 2

Tutorías

Miguel García Román

mgroman@ugr.es
    Segundo semestre
    • Jueves de 9:30 a 12:30 (Dpto. Iq)
    • Martes de 9:30 a 11:30 (Dpto. Iq)
    • Miércoles de 15:00 a 16:00 (Dpto. Iq)
    Primer semestre
    • Lunes de 15:00 a 16:00 (Dpto. Iq)
    • Martes de 10:00 a 12:00 (Dpto. Iq)
    • de 10:00 a 13:00 (Dpto. Iq)

Deisi Altmajer Vaz

deisiav@ugr.es
  • Jueves de 11:40 a 13:40 (Dpto. Iq)
  • Lunes de 9:15 a 10:15 (Dpto. Iq)
  • Martes de 9:15 a 12:15 (Dpto. Iq)

Prerrequisitos y/o Recomendaciones

Se recomienda que el estudiante haya completado el módulo de Formación Básica y que siga el orden cronológico de las enseñanzas del módulo. En concreto, se recomienda haber cursado las asignaturas Procesos Biotecnológicos Industriales y Fundamentos de Ingeniería Bioquímica.

Breve descripción de contenidos (Según memoria de verificación del Grado)

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.

Competencias asociadas a materia/asignatura

Competencias específicas

  • CE20  - Conocer los principios básicos de la cinética enzimática y sus aplicaciones a la transformación de biomoléculas. 
  • CE21  - Estudiar el diseño y funcionamiento de los biorreactores. 
  • CE24  - Conocer y analizar los criterios de escalado en bioprocesos. 

Competencias transversales

  • CT01  - Capacidad de análisis y síntesis 
  • CT03  - Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica y de resolver problemas 
  • CT04  - Capacidad de comunicar de forma oral y escrita en las lenguas del Grado 
  • CT05  - Razonamiento crítico 
  • CT07  - Sensibilidad hacia temas medioambientales 
  • CT08  - Capacidad para la toma de decisiones 

Resultados de aprendizaje (Objetivos)

Al superar la asignatura el alumno conocerá/comprenderá:

  • Las técnicas de inmovilización de biocatalizadores y analizar su implicación en la cinética del proceso.
  • El diseño de los medios de cultivo.
  • Los diferentes tipos de interacciones entre microrganismos y los medios de actuación para aprovecharlas o evitarlas.
  • Las características y aplicaciones de los biorreactores pulsantes, agitados por fluidos, biorreactores de membrana y fotobiorreactores.
  • Los criterios de escalado al diseño de biorreactores.

Del mismo modo, al superar la asignatura el alumno será capaz de:

  • 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.
  • Analizar las configuraciones más usuales en biorreactores.
  • Desarrollar modelos de biorreactores para el diseño y la optimización de su funcionamiento.
  • Determinar las necesidades de transmisión de calor, agitación, aireación y esterilización de un biorreactor.

Programa de contenidos teóricos y prácticos

Teórico

BLOQUE 1 – CINÉTICA DE LAS REACCIONES BIOQUÍMICAS

Tema 1. Introducción a la ingeniería de la reacción bioquímica.

Tipos de reacciones bioquímicas de importancia industrial. Ejemplos de aplicaciones industriales. Nociones básicas de cinética aplicada: velocidad de reacción y métodos para su estudio. Las enzimas como catalizadores industriales.

Tema 2. Cinética de las reacciones enzimáticas homogéneas.

Mecanismo de acción enzimática. Reacciones enzimáticas con un solo sustrato. La ecuación de Michaelis-Menten. Modulación de la acción enzimática: activación e inhibición. Reacciones con dos sustratos. Mecanismos aleatorios, ordenados y tipo Ping-Pong. 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 microbianos.

Estequiometría de las fermentaciones. 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.

Medios de cultivo. Microorganismos e interacciones entre los mismos. 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.

Práctico

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

  • Práctica 1: Uso de EXCEL para el ajuste de datos cinéticos.
  • Práctica 2: Estudio de casos: cinética de reacciones enzimáticas homogéneas.
  • Práctica 3: Estudio de casos: cinética del crecimiento de microorganismos.
  • Práctica 4: Software para la simulación de biorreactores.
  • Práctica 5: Simulación de biorreactores enzimáticos.
  • Práctica 6: Simulación de fermentadores.
  • Práctica 7: Funcionamiento de un fermentador discontinuo tanque agitado. Estudio con SuperPro Designer.

Prácticas de laboratorio

  • Práctica 1: Estudio de la cinética de una reacción enzimática.
  • Práctica 2: Producción de biosurfactante mediante fermentación.
  • Práctica 3. Determinación de coeficiente de transferencia de oxígeno en un tanque agitado.

Bibliografía

Bibliografía fundamental

  • 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
  • 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

Bibliografía complementaria

  • 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
  • Ward, O.P., Biotecnología de la fermentación: principios, procesos y productos, Acribia (1991). Biblioteca Farmacia: FFA/663 WAR bio
  • Atkinson, B.F.C., Reactores bioquímicos, Reverté (1986). Biblioteca Ciencias:FCI/66 ATK rea
  • Harvey, G. Excel 2013 all-in-one for dummies. J. Wiley & Sons, Inc. (2013) Biblioteca Ciencias. Doc. electrónico
  • Berkeley Madonna User's Guide (version 10.2.6, 2021). Disponible en web
  • Intelligen, Inc. SuperPro Designer. User Guide. Disponible en la web

Enlaces recomendados

Metodología docente

  • 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 

Evaluación (instrumentos de evaluación, criterios de evaluación y porcentaje sobre la calificación final)

Evaluación ordinaria

Todos los alumnos deberán seguir la evaluación continua, tal y como se describe a continuación, salvo que puedan acogerse a la Evaluación Única Final (ver más adelante).

  1. Examen teórico-práctico. 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). 70% de la nota final
  2. Entrega de ejercicios resueltos e informes de prácticas. Durante las clases teóricas y prácticas se propondrán a los alumnos ejercicios para su resolución individual o en grupo (20 % de la nota final)
  3. Trabajo en grupo. Consistirá en la simulación de un biorreactor a partir de datos obtenidos de bibliografía (10 % de la nota final)

Para superar la asignatura por evaluación continua será necesario obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en el examen teórico-práctico, así como haber entregado al menos el 50% de los ejercicios propuestos y el trabajo en grupo.
 

Evaluación extraordinaria

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

  1. Examen teórico-práctico. 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). 70% de la nota final
  2. Simulación completa del funcionamiento de un biorreactor. Consistirá en la resolución de un ejercicio de simulación propuesto por el profesor usando datos tomados de bibliografía y el software empleado en las clases prácticas. 30% de la nota final

Para superar la asignatura en la evaluación extraordinaria será necesario obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en el examen teórico-práctico. Los alumnos que así lo soliciten podrán conservar las calificaciones de la resolución de ejercicios y el trabajo en grupo obtenidas en la evaluación ordinaria, que supondrán un 30% de la nota final. De esta forma quedarán exentos de realizar el ejercicio de simulación.
 

Evaluación única final

Tanto en convocatoria ordinaria como extraordinaria se realizará en un solo acto académico, e incluirá dos pruebas.

  1. Examen teórico-práctico. 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). 70% de la nota final
  2. Simulación completa del funcionamiento de un biorreactor. Consistirá en la resolución de un ejercicio de simulación propuesto por el profesor usando datos tomados de bibliografía y el software empleado en las clases prácticas. 30% de la nota final

El examen de teórico-práctico a realizar por los alumnos que se acojan a la Evaluación Única Final en convocatoria ordinaria o extraordinaria puede ser distinto del de los alumnos que han seguido la evaluación continua. Para superar la asignatura por esta vía será necesaria una calificación mínima de 5 tanto en el examen teórico-práctico como en el ejercicio de simulación.

Información adicional

ESCENARIO A (ENSEÑANZA-APRENDIZAJE PRESENCIAL Y TELE-PRESENCIAL)

Horario (Según lo establecido en el POD)

http://sl.ugr.es/mgroman

http://sl.ugr.es/deisiav

Herramientas para la atención tutorial (Indicar medios telemáticos para la atención tutorial)

Los alumnos serán atendidos preferentemente por correo electrónico, o, si con ello no fuera suficiente, mediante videoconferencia usando la herramienta Google-Meet.

Medidas de adaptación de la evaluación (Instrumentos, criterios y porcentajes sobre la calificación)

Las clases serán presenciales si la situación sanitaria lo permite y según el Plan de Adaptación de la Docencia en el escenario A del grado. En caso de no poder serlo, se actuará de la forma siguiente:

  • CLASES DE TEORÍA: Las clases de teoría se impartirán íntegramente de forma virtual usando la plataforma Google-Meet y dentro del horario establecido en POD (modalidad síncrona). Las diapositivas usadas en las clases y otros recursos empleados en las mismas estarán también disponibles en PRADO, como es habitual.
  • SEMINARIOS Y CLASES PRÁCTICAS: Se seguirá una modalidad mixta virtual / presencial. Las clases se grabarán optimizando su contenido y duración para un formato virtual y pondrán a disposición de los alumnos semanalmente a través de la plataforma PRADO (modalidad asíncrona). Además cada semana los alumnos dispondrán de una hora de ateción presencial dentro del horario establecido para dicho subgrupo en POD. En estas clases presenciales los alumnos podrán plantear dudas sobre los ejercicios propuestos por el profesor, y además resolverán ejercicios adicionales o cuestionarios que permitirán realizar una evaluación continua de sus progresos. Para la realización y entrega de ejercicios y cuestionarios se usará la plataforma PRADO.
  • PRÁCTICAS DE LABORATORIO. Se grabarán las mismas, o se usarán vídeos disponibles en la red o en plataformas de educación virtual, como JoVE. Se facilitarán los datos a los alumnos para que puedan hacer los cálculos correspondientes y presentar sus informes.

Evaluación ordinaria

No se prevén medidas de adaptación en este escenario, a excepción de que todas las entregas de ejercicios e informes se realizarán a través de la plataforma PRADO. Si por decisión de las autoridades sanitarias y/o universitarias no fuera posible la realización de pruebas presenciales se procederá como se indica en el escenario B.

  1. Examen teórico-práctico. Se realizará de forma presencial y 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). 70% de la nota final
  2. Entrega de ejercicios resueltos e informes de prácticas. Durante las clases teóricas y prácticas se propondrán a los alumnos ejercicios para su resolución y entrega individual o en grupo a través de la plataforma PRADO (20 % de la nota final)
  3. Trabajo en grupo. Consistirá en la simulación de un biorreactor a partir de datos obtenidos de bibliografía (10 % de la nota final)

Para superar la asignatura por evaluación continua será necesario obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en el examen teórico-práctico, así como haber entregado al menos el 50% de los ejercicios propuestos y el trabajo en grupo.

Evaluación extraordinaria

No se prevén medidas de adaptación en este escenario, Constará de dos pruebas, realizadas en un acto académico único y presencial. Si por decisión de las autoridades sanitarias y/o universitarias no fuera posible la realización de pruebas presenciales se procederá como se indica en el escenario B.

  1. Examen teórico-práctico. 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). 70% de la nota final
  2. Simulación completa del funcionamiento de un biorreactor. Consistirá en la resolución de un ejercicio de simulación propuesto por el profesor usando datos tomados de bibliografía y el software empleado en las clases prácticas. 30% de la nota final

Para superar la asignatura en la evaluación extraordinaria será necesario obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en el examen teórico-práctico. Los alumnos que así lo soliciten podrán conservar las calificaciones de la resolución de ejercicios y el trabajo en grupo obtenidas en la evaluación ordinaria, que supondrán un 30% de la nota final. De esta forma quedarán exentos de realizar el ejercicio de simulación.

Evaluación única final

Tanto en convocatoria ordinaria como extraordinaria se realizará en un solo acto académico de forma presencial, e incluirá dos pruebas. Si por decisión de las autoridades sanitarias y/o universitarias no fuera posible la realización de pruebas presenciales se procederá como se indica en el escenario B.

  1. Examen teórico-práctico. 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). 70% de la nota final
  2. Simulación completa del funcionamiento de un biorreactor. Consistirá en la resolución de un ejercicio de simulación propuesto por el profesor usando datos tomados de bibliografía y el software empleado en las clases prácticas. 30% de la nota final

El examen de teórico-práctico a realizar por los alumnos que se acojan a la Evaluación Única Final en convocatoria ordinaria o extraordinaria puede ser distinto del de los alumnos que han seguido la evaluación continua. Para superar la asignatura por esta vía será necesaria una calificación mínima de 5 tanto en el examen teórico-práctico como en el ejercicio de simulación.

ESCENARIO B (SUSPENSIÓN DE LA ACTIVIDAD PRESENCIAL)

Horario (Según lo establecido en el POD)

http://sl.ugr.es/mgroman

http://sl.ugr.es/deisiav

Herramientas para la atención tutorial (Indicar medios telemáticos para la atención tutorial)

Los alumnos serán atendidos exclusivamente por correo electrónico, o, si con ello no fuera suficiente, mediante videoconferencia usando la herramienta Google-Meet, para lo cual se concertará previamente la cita de común acuerdo entre el profesor/a y el alumno/a.

Medidas de adaptación de la evaluación (Instrumentos, criterios y porcentajes sobre la calificación)

  • CLASES DE TEORÍA: Las clases de teoría se impartirán íntegramente de forma virtual usando la plataforma Google-Meet y dentro del horario establecido en POD (modalidad síncrona). Las diapositivas usadas en las clases y otros recursos empleados en las mismas estarán también disponibles en PRADO, como es habitual.
  • SEMINARIOS Y CLASES PRÁCTICAS: Las clases se impartirán mediante Google Meet, para cada grupo reducido de los dos existentes, dentro del horario establecido en POD (modalidad síncrona). En estas clases los alumnos resolverán ejercicios y/o cuestionarios que permitirán realizar una evaluación continua de sus progresos. Para la realización y entrega de ejercicios y cuestionarios se usará la plataforma PRADO.
  • PRÁCTICAS DE LABORATORIO. Se grabarán las mismas, o se usarán vídeos disponibles en la red o en plataformas de educación virtual, como JoVE. Se facilitarán los datos a los alumnos para que puedan hacer los cálculos correspondientes y presentar sus informes.

Evaluación ordinaria

Todas las pruebas se realizarán de forma no presencial, como se describe a continuación:

  1. Examen teórico-práctico. Se realizará de forma virtual mediante la herramienta de cuestionarios de PRADO, apoyada por Google-Meet. 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). 70% de la nota final
  2. Entrega de ejercicios resueltos e informes de prácticas. Durante las clases teóricas y prácticas se propondrán a los alumnos ejercicios para su resolución y entrega individual o en grupo a través de la plataforma PRADO (20 % de la nota final)
  3. Trabajo en grupo. Consistirá en la simulación de un biorreactor a partir de datos obtenidos de bibliografía (10 % de la nota final)

Para superar la asignatura por evaluación continua será necesario obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en el examen teórico-práctico, así como haber entregado al menos el 50% de los ejercicios propuestos y el trabajo en grupo.

Evaluación extraordinaria

Constará de dos pruebas, realizadas en un acto académico único. Se realizarán usando la herramienta de cuestionarios de PRADO, apoyada por Google Meet.

  1. Examen teórico-práctico. 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). 70% de la nota final
  2. Simulación completa del funcionamiento de un biorreactor. Consistirá en la resolución de un ejercicio de simulación propuesto por el profesor usando datos tomados de bibliografía y el software empleado en las clases prácticas. 30% de la nota final

Para superar la asignatura en la evaluación extraordinaria será necesario obtener una calificación mínima de 5 sobre 10 en el examen teórico-práctico. Los alumnos que así lo soliciten podrán conservar las calificaciones de la resolución de ejercicios y el trabajo en grupo obtenidas en la evaluación ordinaria, que supondrán un 30% de la nota final. De esta forma quedarán exentos de realizar el ejercicio de simulación.

Evaluación única final

Constará de dos pruebas, realizadas en un acto académico único, tanto en convocatoria ordinaria como en extraordinaria. Se realizarán usando la herramienta de cuestionarios de PRADO, apoyada por Google Meet

  1. Examen teórico-práctico. 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). 70% de la nota final
  2. Simulación completa del funcionamiento de un biorreactor. Consistirá en la resolución de un ejercicio de simulación propuesto por el profesor usando datos tomados de bibliografía y el software empleado en las clases prácticas. 30% de la nota final

El examen de teórico-práctico a realizar por los alumnos que se acojan a la Evaluación Única Final en convocatoria ordinaria o extraordinaria puede ser distinto del de los alumnos que han seguido la evaluación continua. Para superar la asignatura por esta vía será necesaria una calificación mínima de 5 tanto en el examen teórico-práctico como en el ejercicio de simulación.