Ingeniería Bioquímica I

1. Ingeniería Bioquímica I “Molino de Perlas de Alta Velocidad”

2. Integrantes • Florencia Krunfli • Laura Biagini • Alejandra Hidalgo • Rocío Roselli • María Angélica Gallo

3. Equipos de Rompimiento Celular • Molinos de Perlas de Alta Velocidad • Homogeinizadores de Alta Velocidad • Microfluidizadores

4. Esquema del Molino de Perlas • Cámara de Molienda • Agitador • Flecha giratoria • Discos, barras ó anillos • Perlas de vidrio

5. El material celular se introduce por uno de los extremos de la cámara • El agitador produce el movimiento de la masa celular y de las perlas de vidrio • Los discos tienen perforaciones cubiertas por membranas para que pase el material celular pero impedir el paso de las perlas

6. Los discos pueden colocarse en la flecha en forma CONCÉNTRICA ó EXCENTRICA

7. Disponibilidad en el mercado • Diferentes relaciones de Longitud : Diámetro las más óptimas son entre 1:2,5 y 1:3,5 • Volúmenes que varían entre 50 ml y 250 litros para equipos chicos • Flujos de hasta 2000 litros/hora

8. Mecanismo de Desintegración Celular Fuerzas de corte + Frecuencia de colisiones + Fuerza de Colisiones _____________________ Desintegración Celular

9. Parámetros Operacionales • Velocidad del agitador • Velocidad de alimentación de la suspensión celular • Diseño del agitador • Tamaño de las perlas de vidrio • Carga de las perlas de vidrio • Concentración celular • Temperatura

10. 1) Velocidad del Agitador • Para comparar distintos molinos, conviene usar como parámetro a la Velocidad Periférica Normalizada de los Anillos ya que agrupa varios parámetros relacionados con la velocidad del agitador • ω: velocidad angular del agitador (rpm) • Dm : diámetro • En impulsores concéntricos, se utiliza el diámetro del impulsor (mm) • En impulsores excéntricos, se usa un diámetro promedio (mm) • d : diámetro de los anillos del agitador (mm) • e : diámetro de la flecha del agitador (mm)

11. Aumentando U Aumenta la fuerza de corte Aumenta la frecuencia de colisión Aumenta la temperatura

12. 2) Velocidad de Alimentación de la Suspensión Celular • El flujo permisible en un molino de perlas depende: • Del volumen del molino • De la carga de perlas • Velocidad del agitador Disminuye el grado de desintegración Conviene operar con altos flujos de alimentación y usar varios pasos para obtener el rendimiento requerido Al aumentar el flujo de alimentación El proceso resulta más económico

13. 3) Diseño del Agitador y Efectos del Mezclado • El comportamiento de un molino de perlas depende del patrón de flujo y mezclado que produce el agitador • El patrón de flujo es intermedio a los dos modelos ideales • Flujo tapón (sin mezclado axial) • Tanque continuo agitado (100% agitado) • El tipo de mezclado puede ser determinado por técnicas con trazadores

14. Cuando hay flujo pistón, el rompimiento celular es función lineal de la velocidad del agitador y del flujo de alimentación • Los agitadores comerciales provocan el mezclado de todas las partículas en la cámara

15. Distribución de tiempos de residencia en un molino en respuesta a un pulso colorante, usando 3 tipos de agitadores distintos con la misma cámara

16. Se ha observado que un aumento en la velocidad de rotación produce una distribución más amplia de los tiempos de residencia • También, un aumento en la velocidad de alimentación provoca una distribución más estrecha de tiempos de residencia • Se logra incrementar la eficiencia de los molinos

17. 4) Tamaño de las Perlas de Vidrio • Básicamente se utilizan Perlas de Vidrio Libres de Plomo • Todo depende del ámbito en el que se las utilice, aunque en general va entre 0.2 y 1.5 mm de diámetro pero, fundamentalmente importa el tipo de célula que se quiera desintegrar

18. Observaciones experimentales determinaron : • Levaduras: requieren diámetros mayores que 0.5 mm • Bacterias: requieren diámetros menores que 0.5 mm • Enzimaslocalizadas en el espacio periplásmico son más fácilmente liberadas utilizando perlas de vidrio mayores en relación a las utilizadas para liberar enzimas protoplasmáticas

19. Existe un diámetro óptimo dado por volumen de molino volumen de perlas aumenta el número de perlas aumenta la frecuencia de colisiones aumenta la eficiencia de ruptura al disminuir el diámetro aumenta la tendencia a flotar disminuye la frecuencia de colisiones disminuye la eficiencia de ruptura

20. 5) Carga de las Perlas de Vidrio • La cantidad de perlas depende del: • Tipo de célula desintegrar • Tamaño de las perlas Si la carga de perlas es baja La eficiencia es baja Si la carga de perlas es alta Hay mayor consumo de potencia Se libera más calor

21. Datos experimentales indican que la carga óptima es del 80% al 90% • La carga de perlas se define como: donde Vp : Volumen del lecho de perlas (litros3) Vt : Volumen de la cámara de molienda (litros3) Va : Volumen del agitador (discos ó barras y flechas) (litros3)

22. 6) Concentración de la Suspensión Celular • La concentración de las células en suspensión NO afecta la efectividad de la desintegración celular • La concentración de células óptima se encuentra entre el 30 y 60 %

23. 7) Efecto de la Temperatura • La temperatura de molienda facilita el rompimiento celular pero puede afectar al producto • El rompimiento celular se realiza a una temperatura entre 5 y 15 ºC

24. Operación Intermitente Formas de operación Operación Continua Diseño del Molino de Perlas

25. Operación Intermitente • Cuando el volumen de la suspensión celular a tratar es bajo, o cuando se desea efectuar experimentos para generar datos de diseño • Determinación del Grado de rompimiento: • Directamente: contando el número de células intactas por unidad de volumen • Indirectamente: mediante la medición de un componente liberado durante el rompimiento

26. El rompimiento celular intermitente sigue una cinética de primer orden Balance de masa VM : Volumen libre del molino (Litros3) Rm : Concentración máxima de proteína obtenible (M/Litros3) R: Concentración de proteína liberada en el tiempo t (M/Litros3) t : Tiempo de operación (t) k : Constante de velocidad específica de primer orden (t-1) • Integrando la ecuación anterior se obtiene la ecuación de la operación intermitente Recta de pendiente k y ordenada al origen cero

27. Operación Continua • La suspensión celular a tratar es alimentada continuamente al molino por uno de sus extremos y retirada continuamente en el extremo opuesto, es decir el flujo es constante • Una diferencia importante con la operación intermitente es que en la operación continua habrá una distribución de tiempos de residencia de la población celular

28. Preguntas • ¿Cuál es el fin del empleo de un molino de perlas? • Describa brevemente el proceso de ruptura celular mediante un molino de perlas • Liste los parámetros operacionales

29. MUCHAS GRACIAS !!!