Práctica 4 Simulación con Aspen Batch Process Developer PDF

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Summary

Profesora: Menta Ballesteros Martín
Grado: Biotecnología...

Description

Procesos Biotecnológicos  

SimulaciónconAspenBatchProcess Depelover 

I NTRODUCCI ÓN Y OBJETI VOS

Los activadores del plasminógeno son potentes enzimas que desencadenan la degradación proteolítica de los coágulos de sangre que causan accidentes cerebro-vasculares y ataques al corazón. El activador tisular del plasminógeno (en inglés: Tissue Plasminogen Activator o t-PA) se encuentra en las células endoteliales que recubren el interior de los vasos sanguíneos y se emplea en medicina para el tratamiento de enfermedades que provocan coágulos sanguíneos, como el embolismo pulmonar, el infarto de miocardio y la isquemia cerebral.

El t-PA es una proteína recombinante compuesta de 562 aminoácidos. La compañía estadounidense Genentech produce este fármaco utilizando células de ovario de hámster chino (CHO) que contienen tPADNA, aislado de células de melanoma humanas, en su genoma. Esta industria cultiva las células tPA-CHO en un medio rico en nutrientes (HyQ PF-CHO) que incluye una mezcla de nutrientes, sales, aminoácidos, insulina, factores de crecimiento y transferrina. Además, emplea agua estéril, aire y CO2. Junto con el t-PA se

generan

endotoxinas

que

deben

retirarse,

detritus

celular,

agua

residual

y

emisiones

de

gas,

especialmente nitrógeno del aire, oxígeno y CO2 (Fig. 1).

Fig 1. Esquema general de la síntesis de tPA

Para satisfacer la demanda del mercado la compañía tiene que producir 80 Kg/a de tPA que vende a $2000/0,1gramo-dosis, por lo que los beneficios ascienden aproximadamente a $1,6 billones/a. Basándose en datos de laboratorio, los investigadores decidieron diseñar el sistema de la Figura 2 en el que .se mezcla el medio de cultivo seleccionado con agua, se filtra y se mantiene en un tanque de retención. Las 6

células tPA-CHO son duplicadas hasta una densidad de 3·10

cel/mL ya que a mayores concentraciones el

cultivo es demasiado denso y las células comienzan a morir rápidamente. Por ello, la compañía cultiva las células en un primer fermentador hasta esta concentración y con la biomasa acumulada se inocula un segundo biorreactor. A la salida del segundo fermentador se coloca un tanque de retención en el que se acumula el cultivo (enfriado previamente) para su posterior centrifugación.

El objetivo de esta práctica es aprender a manejar el programa de simulación para bioprocesos Aspen Batch Process Developer. Para ello se determinará el tiempo efectivo entre lotes ( tiempo de ciclo) que es menor que el tiempo total ocupado en una secuencia de operaciones en discontinuo. El tiempo de ciclo es menor

porque

mientras

simultáneamente

en

(vaciados,

un

lote

se

limpiezas,

está

operando

esterilizaciones,

los

otros

etc.).

Por

equipos tanto,

están el

siendo

tiempo

de

procesados ciclo

viene

determinado por el equipamiento que requiere mayor tiempo de procesamiento. Este equipo es conocido como “cuello de botella” y para reducir el tiempo en el proceso global el tiempo de proceso en este “cuello de botella” debe acortarse tanto como sea posible. Normalmente este equipo suele ser el biorreactor principal porque en él tienen lugar los mayores tiempos de cultivo. Asimismo, se realizará el balance de materia del bioproceso y se determinará la capacidad de cada equipo empleado con la ayuda del simulador. Product and Process Design Principles. Synthesis, Analysis, and Evaluation. Seider et al. McGraw-Hill (2004)

1

PROCEDI MI ENTO

En esta práctica se empleará el programa Aspen Batch Process Developer para simular el proceso de producción de tPA (Fig. 2). Para ello introduce la siguiente secuencia de operación:

1. Cultivo en biorreactor 1.1. Inicialmente, un

Tanque de mezcla

se carga con 458,3 kg de medio HyQ PF-CHO con un tiempo de

carga de 1 h. Se carga también con 3565 kg de agua con un tiempo de carga de 1 h.

1.2. El material es enfriado a 4ºC durante 1 d.

1.3. Dicho material se mantiene en el tanque durante 2 d. 1.4.

Después

de

este

tiempo

se

transfiere

a

un

sistema

de

Microfiltración

(0.2

m)

en

modo

discontinuo. Componentes sin especificar van hacia el permeado. El tiempo de operación es de 2 h y la corriente de permeado se envía a un

1.5. A continuación, se carga el

Tanque de retención.

Fermentador 1

(40 L, min vol 1 L) con 1,2 kg de células de tPA-CHO con

un tiempo de carga de 1 h. 1.6. Se transfieren 21,2 kg de material durante 0.5 d del través de un

1.7. En el

I ntercambiador de calor .

Fermentador 1

Tanque de retención

al

Fermentador 1

a

La temperatura final es de 37ºC.

se producen (% en peso) 15,29 % (en fase sólida) y 0% (en fase líquida) de

células tPA-CHO, 0,01% de endotoxina (en fase líquida), 84,69% (en fase líquida) de agua y 0,01% (en fase líquida) de tPA. No queda medio de cultivo ni en la fase líquida ni en la sólida. El tiempo de fermentación es 5 d y continuamente se añaden 0,3 kg de aire y 0,02 kg de CO2.

Operación en paralelo Serie 1.8. Los productos del

Fermentador 1

se transfieren al

Fermentador 2

(400 L, min vol 1 L) en 0,5 d.

Se transfiere el 100% del contenido del Fermentador 1. 1.9.

Entonces,

293,5

kg

I ntercambiador de calor 1.10. En el

de

medio

del

Tanque de retención Fermentador 2 en

hasta 37ºC y enviados al

Fermentador 2

son

calentados

a

través

del

0.5 d.

se producen (% en peso) 11,7 % (en fase sólida) y 0% (en fase líquida) de

-4

células tPA-CHO, 7,67·10 % de endotoxina (en fase líquida), 88,3% (en fase líquida) de agua y 0,039% (en fase líquida) de tPA. No queda medio de cultivo ni en la fase líquida ni en la sólida. El tiempo de fermentación es 7 d y continuamente se añaden 4,5 kg de aire y 0,4 kg de CO2.

Serie 1.11. Mientras tanto, se vacía el

Fermentador 1

y se limpia con 60 Kg de agua durante 20 h (el tiempo

de carga es de 1 min).

1.12.

Después

de

la

limpieza

se

esteriliza

a

130ºC.

Es

necesaria

1

h

para

el

calentamiento

y

la

temperatura se mantiene durante 2 h. Posteriormente se lleva hasta 37ºC (1 h es necesaria para el enfriamiento).

Finaliza la operación en paralelo 1.13. El 100% del cultivo obtenido en el

centrifugación

Fermentador 2

es transferido a un

Tanque de retención para Enfriador . La temperatura

posterior del cultivo. La transferencia se hace a través de un

final es de 4ºC y el tiempo de transferencia de 0,5 d. 1.14. Al igual que el Fermentador 1, el

Fermentador 2

es vaciado y limpiado con 600 kg de agua

durante 20 h (el tiempo de carga es de 1 min).

1.15. Finalmente el Fermentador 2 se esteriliza en las mismas condiciones que el Fermentador 1 (1.12.).

2

1.13 1.8

1.5

1.7

1.10

1.1 1.6 1.9

1.2

1.3 1.4

1.11

1.12

1.14

1.15

Fig 2. Diagrama de flujo de la síntesis de tPA

CUESTI ONES

1. Determina el tiempo de ciclo dibujando un diagrama de Gantt. ¿Cuál es la unidad “cuello de botella”?

2. Indica los Kg de tPA que se obtienen al final del proceso. ¿Puede satisfacer la demanda del mercado anual?

3. ¿Qué porcentaje de tPA en fracción másica se obtiene en el proceso?

4. ¿Qué tamaños podrían ser los más adecuados para los Fermentadores 1 y 2? ¿Y para el tanque de retención para centrifugación?

5. Dibuja un diagrama 3D de la industria y el diagrama de flujo del proceso con Microsoft Visio.

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