teoricos-pb-i-2016-pag-104-143

3/27/2016
PROCESOS BIOTECNOLOGICOS I 2016
TEORICOS Prof. G. Picó
LOS POLIMEROS DE CADENA
FLEXIBLE:
su empleo en las Operaciones Unitarias
104
La participación de los polímeros de cadena
flexible en Procesos Biotecnológicos
Proteínas: altamente
estructuradas y compactas
Polímeros de cadena flexible
Solo tienen aplicación en procesos Biotecnológicos
los polímeros de cadena flexible SOLUBLES EN
AGUA
105
1
3/27/2016
CLASIFICACION DE LOS POLIMEROS DE CADENA FLEXIBLE SEGÚN SU FUENTE DE
OBTENCION
De la síntesis Industrial (no degradables):
polietilen glicoles, poli acrilatos, Poli vinilos, caprolactanos (MUCHOS SON TOXICOS)
Oxidos de etileno propileno
Naturales (son biodegradables)
biodegradables) (SON PERMITIDOS POR LOS CODIGOS ALIMENTARIOS)
Chiosan, alquil celulosas, Alginatos
Dextranos, Dextrinas, hidrolisados del almidón
CLASIFICACION DE LOS POLIMEROS DE CADENA FLEXIBLE SEGUN SU CARGA ELECTRICA
No cargados electricamente
Cargados electricamente
Almidones semi hidrolizados
(Polielectrolitos)
Celulosas tratadas Químicamente
Polivinil alcohol
Polietilenglcoles
Anfolitos
Poli oxidos de etileno propileno
Merqueat 2002
Anionicos
Polivinilsulfonato
Cationicos
Acido p-galacturonico
Polietilen imina
Dextran sulfato
Chitosan
Carbopol 
106
Alginatos
Goma Arabiga
POLIMEROS SINTETICOS
Polietilenglicol: hidrofóbico (grupos etilénicos) e hidrofílico
Polietilenglicol
(puentes -O- eter) NO TOXICO PARA LAS CELULAS
DISPONIBLE DE PESO MOLECULAR DESDE 400 A 100.000
Interacciona fuertemente con el agua: 12 moléculas de agua ordenadas alrededor de la
cadena etilénica, 2 al O eter por puente hidrógeno
O
O
PEG
(EO)n-(PO)m-(EO)n
Polioxido de etileno- propileno
107
2
3/27/2016
Todos los PCF como poseen moléculas con grupos altamente polares (-OH, O=, NH2-)
tienen la propiedad de interaccionar fuertemente con el solvente agua, muestran
comportamiento similares. Muy soluble en agua hasta 60% P/V
Termodinámicamente la disolución de un PCF es:
PCF
+ agua solución
∆H<0
∆S > 0 ∆Gmez< 0
+
PCF
soluciónn
solvente
Variables Termodinamicas asociadas al
mezclado
∆Gm < 0 hay mezclado
∆Hm < 0 formación de enlaces
∆Sm > 0 mayor desorden
Similar a la mezcla de dos gases ideales
∆Gm < 0
hay mezclado
∆Hm = 0
solución ideal
∆Sm > 0
mayor desorden
108
109
3
3/27/2016
110
Cambio de entalpia en el mezclado
¿qué ocurre con el ∆S en la medida que aumenta el número de monómeros de la
molécula de PCF? ∆S será positivo, pero del análisis del término que involucra a los
ln se observa que
φ2 =
σN 2
φ1 =
N
N = N1 + N 2
σ
N1
N
∆S
∆S = − R( N1 ln φ1 + N 2 ln φ2 )
10
En el caso de σ = 1 caso de la
mezcla de dos gases ideales
8
Conducta similar a la mezcla de
dos gases ideales
∆S
6
4
2
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
111
φ 1x
4
3/27/2016
Cambio de entropía cuando se mezcla un PCF con el solvente
6
PM1000
PM4000
PM8000
PM20000
∆S (cal/mol grado)
5
4
∆S = − R( N1 ln φ1 + N 2 ln φ2 )
3
2
1
0
0,95
0,96
0,97
0,98
0,99
1,00
fraccion molar de agua
∆S
σ
∆H
σ Numero de monómeros por molécula de PCF, si σ aumenta, el aumento del cambio de
entropía será menor (caso de aumentar el PM del polímero)
112
Los PCF tienen dos propiedades que los hace únicos:
1- la mezcla de dos PCF (o de un PCF con una sal) en medio acuosos genera un sistema
de dos fases inmiscibles entre si
2- el calentamiento de una solución acuosos de un PCF genera un sistema de dos fases,
una rica en el polímero y la otra pobre en polímero.
PCF 2
+
PCF 1
PCF 2
o SAL
FOSFATO, TARTRATO,CITRATO, ETC.
PCF 1
113
5
3/27/2016
Mezcla de dos
PCF o
un PCF + sal
Tiempo min
0
1
2
3
4
5
6
114
TERMODINAMICA DE LA FORMACION DE UN SISTEMA BIFASICO ACUOSO
El estado final esta mas
ordenado que el estado inicial
Se forma un sistema bifásico
El solvente se re distribuye entre las fases
115
6
3/27/2016
El proceso de formación de SBA implica ruptura de enlaces
solvente –PCF
∆H >0
y ∆S < 0 (sistema más ordenado)
o ∆S >0 (pero mucho menor que en la formación de la
solución), el SBA está mas ordenado que las soluciones de los
PCF
∆H >> 0
∆H >> 0 aumenta con σ aumento de PM)
∆S > 0 disminuye con el aumento de PM)
∆G mezcla = ∆H - T∆S > 0
∆G mezcla = (++) – T (+) >0
PM polímero ↑,
∆G ↑
116
117
7
3/27/2016
El agua ya estaba desordenada, el
término entrópico supera al entálpico
118
No se forma el SBA
119
8
3/27/2016
¿ cuáles son las propiedades de los sistemas
bifásicos acuosos ?
- Ambas fases son acuosas (>90% contenido agua)
- Se puede regular pH, osmolaridad, concentración de sales
- Las macromoléculas, membranas, restos celulares,
no sufren modificaciones en su estructura.
- Las células no pierden su viabilidad (globulos rojos, glob. blancos, bacterias,
virus
Microfotografía de un
sistema Polietilenglicol
fosfato de potasio
X 100
120
Otros sistemas Bifásicos: inducidos por la temperatura
calor
Fase pobre en polímero
Fase enriquecida en
polímero
Solución acuosa de PCF 1 %
∆H < 0
∆S < 0
+
CALOR
PCF ALTAMENTE HIDRATADO
PERDIDA DE AGUA E
INTERACCION PCF-PCF
FORMACION DE DOS FASES
121
9
3/27/2016
OPERACION UNITARIA DE
EXTRACCION
Teoricos Prof. Picó
EXTRACCION LIQUIDO - LIQUIDO:
1- UNA FASE ACUOSA – UNA FASE ORGANICA
2- UNA FASE ORGANICA – UNA FASE ACUOSA + DETERGENTE
(micelas invesas)
3- DOS FASES ACUOSAS
EXTRACION LIQUIDO – SOLIDO: LIXIVIACION:
1- CLASICA
2- FLUIDOS SUPERCRITICOS
122
El reparto de un soluto entre dos fases inmiscibles Escala de laboratorio
TEORIA
C
Kr = s
Ci
Coeficiente de reparto
Rendimiento o Recupero de la extraccion (Y%)
Y% =
(moles A) s
100
(moles A) totales
YS (%) =
VI
VI +
VS
Kr
Debo hacer la
deducción !!!
Recupero del soluto (y %) en la fase (superior)
Vs y Vi volumen fase superior e inferior
Y(%) depende de Vs, Vi y de Kr
Muy fácil, hacer
balance de masas
123
10
3/27/2016
Factor de separación: capacidad de separar dos moléculas diferentes
FS =
KA
KB
K= 1
K= 4
K=1
K= 0,2
FS = 1
FS = 4 / 0,2=20
Grado de purificación: cuantas veces se ha enriquecido la sustancia A el final
del proceso
Purificacion =
concentracion de A
⟩ 1
concentracion de A en su fuente
124
El manejo de los volúmenes de ambas fases permite mejorar el
recupero
CASO 1
300 particulas
CASO 2
K=2
100 ml fase superior
300 particulas
K=2
200 ml fase superior
200 particulas
240 particulas
100 ml de fase inferior
100 ml de fase inferior
100 particulas
60 particulas
Fase superior
%Y = 66/ 100mL
Y %= 80 / 200 mL
Muestra mas
diluida
125
11
3/27/2016
CASO 1
300 particulas
Haciendo a segunda extracción
K=2
100 ml fase superior
200 particulas
100 ml de fase inferior
100 particulas
CASO 1
100 particulas
200
Y (%) =
x100 = 66%
300
66
200
Y (%) =
x100 +
x100 = 88 %
300
300
K=2
100 ml fase superior
66 particulas
100 ml de fase inferior
33 particulas
Total de moléculas recuperadas: 266
1ra extracción = 200
2da extracción = 66
126
Rendimiento de un proceso de extracción
Extracción en contra corriente. Número de ciclos extractivos
Relación a partir de la cual no mejora el recupero
120
La modificación de la relación de volumenes entre
ambas fases permite mejorar el recupero
100
Y (%)
80
60
40
K=0,1
5
K=
K 0,5
=1
K=
K 1= 0,5
K=
K 5= 0,1
K=
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Vs/Vi
127
12
3/27/2016
Los equipos para extracción pueden operar en forma discontínua o en forma continua, estos
son los más empleados.
Columnas spray
Columnas estáticas
Los extractores pueden
ser
Columnas de platos perforados
Columnas de discos rotatorios
Columnas empaquetadas - Columnas con agitación
Los extractores tratan de lograr;
- La mayor superficie de contacto entre las fases
- Mayor intercambio de materia en menos tiempo
- Menor volumen de las gotas que se producen
- Menos tiempo de espera de formación de las fases
128
Algunos modelos de extractores
Torre de platos perforados
Torre de relleno y pulverización
Salida fase menos densa
Salida fase menos densa
Entrada fase
mas densa
Entrada fase más densa
Entrada fase
menos densa
Entrada fase menos densa
Salida fase mas densa
Salida Fase mas densa
129
13
3/27/2016
Extractor de discos rotatorios
Salida fase
menos densa
Entrada fase mas densa
Entrada Fase menos densa
Salida fase inferior
130
Extracción liquido-liquido de moléculas lábiles
MICELAS INVERSAS
En el caso de extraer moléculas lábiles que no soportan un solvente
orgánico
Interfase
Fase acuosa
(caldo de fermentación)
Fase solvente
orgánico
proteína
proteína
proteína
131
detergente
14
3/27/2016
LIXIVIACION
LA FASE EXTRACTIVA ES LIQUIDA Y LA FASE QUE CONTIENE LA
MOLECULA DE INTERES ES SÓLIDA
Lixiviación
Solvente
Acuoso
Orgánico
Líquido supercrítico
132
LIXIVIACION CON LIQUIDOS SUPERCRITICOS
Zona critica
Temperatura critica
1 atm
Presión de vapor
liquido
vapor
solido
Temperatura °C
Diagrama de fases para el agua pura
133
15
3/27/2016
134
EXTRACCIÓN CON LIQUIDOS SUPERCRITICOS
135
16
3/27/2016
136
La obtención de cocaína: un Proceso Biotecnológico
OU de: lixiviación, extracción, cristalización, evaporación, sedimentación
Extracción con
kerosene) se extrae la
base libre a la fase
organica. (REPARTO)
Hoja de coca trituradas +
carbonato de sodio en solucion.
Se libera base (LIXIVIACION)
Se extraen los
alcaloides con
sulfurico del
kerosene, +
carbonato de sodio
para precipitar la
base libre NO
SOLUBLE
REPARTO
+SEDIMENTACION
Pureza 30 %
cocaina y 10 %
ecgonine.
RENDIMIENTO
0,88%
PASTA BASE
137
17
3/27/2016
Step 2
Pasta base disuelta en agua + permanganato de K + acido sulfuric . permanganato
extrae otros alcaloides y materiales no deseados, como ciscinnamoyl cocaina
The solution is filtered and the precipitate is discarded. ammonium hydroxide is
added to the filtered solution and another precipitate is formed. Base libre
El liquido es descartado (NO EN ARGENTINA SE SECA y es el PACO)
El precipitado es secado (cocaina base)
Refinamiento
Base se disuelve en Acetone – FiltraEl filtrado se le agrega HCl cristaliza el cloruro de cocaina (CRISTALIZACION) .
Step 3
The remaining acetone/ether solvent can be discarded or reused.
Cocaine HCl is dried under heat lamps.
Rendimiento final Y% = 0, 4 - 0,3 Pureza 99,9 %
138
Los sistemas Bifásicos Acuosos y su Aplicación en
Downstream Processes.
Los métodos tradicionales de obtención de macromoléculas:
(cromatografías de filtración, de intercambio, de afinidad,
electroforesis, etc.
Muchas veces no son de aplicación en macro escala
La extracción entre dos solventes inmiscibles sirve
para sustancias de bajo peso molecular
SURGE LA EXTRACCION LIQUIDO – LIQUIDO DE MACROMOLECULAS PARA OBTENER:
139
18
3/27/2016
BUT .... THE MOST IMPORTANT PROPERTY OF THE
ATP SYSTEMS IS:
MACROMOLECULES PARTITION BETWEEN THE TWO PHASES
(PROTEINS, DNA, ETC.)
Therefore, a macromolecule partition coefficient (Kp) can be
defined::
Kp =
[ Macromolecule]top
[ Macromolecule]bottom
Proteins are thermodynamically more
stable in the polymer presence.
Macromolecule
140
Algunos sistemas bifásicos acuosos mas
empleados
POLIMERO 1
POLIMERO 2
PEG
DEXTRANO
PEG
HIDROXIPROPIL ALMIDON
PEG
GLUCOSA
PEG
HIDROXI CELULOSA
PEG
FOSFATO, CITRATO,
PEG
TARTRATO (#)
PEG
CARBONATO
DEXTRANO
CARBOXI CELULOSA
PEG
OXIDO ETILENO PROPILENO
OXIDO ETILENO PROPILENO
FOSFATO, CITRATO
OXIDO ETILENO PROPILENO
MALTO DEXTRINA (#)
# diseñado en nuestro laboratorio
141
19
3/27/2016
concentración de fosfato de sodio (% p/p)
Descripción cuantitativa de los sistemas bifásicos acuosos:
diagramas binodiales
A1
A1 A3 V fase sup erior
=
A4 A3
V fase inf erior
B1
20
A3
C1
M
D1
N
H
10
P
PC
A4
D2
C2
0
0
5
10
15
20
A2
B2
25
30
35
40
142
concentración de PEG (% p/p)
LU = [ ∆ PEG ]2 + [ ∆ Pi ]2
∆ [ Pi ]
concentración de fosfato de sodio (% p/p)
LU: línea de unión se
calcula por Pitagoras
A1
B1
20
A3
C1
M
D1
N
H
10
P
PC
A4
D2
C2
0
0
5
10
15
20
25
B2
30
concentración de PEG (% p/p)
∆ [ PEG ]
A2
35
40
143
20