Unidad 1. Biofilms y biorreactores enzimáticos

Programa de la asignatura:

IngenierĂ­a de biorreactores II

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Biofilms y biorreactores enzimĂĄticos

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Ingeniería de biorreactores II Biofilms y biorreactores enzimáticos

Índice Presentación de la unidad…………………………………………………………………………2 Propósitos de la unidad……………………………………………………………………………3 Competencia específica…………………………………………………………………………...3 1.1. Fundamentos teóricos de los biofilms………………………………………………………4 1.1.1. Definición de biofilms o biopelículas……………………………………………………...5 1.1.2. Características de las biopelículas………………………………………………………..6 1.1.3. Tipos de reactores de biopelícula……………………………………………………….10 1.1.4. Transporte y reacción dentro de la biopelícula………………………………………...19 1.1.5. Material soporte de la biopelícula………………………………………………………..20 1.1.6. Transferencia de oxígeno………………………………………………………………...23 1.2. Diseño de procesos de biopelícula………………………………………………………..24 1.2.1. Ecuación general de diseño para procesos de biopelícula…………………………..25 1.2.2. Ecuación de diseño para biofiltros………………………………………………………31 1.2.3. Dimensionado de biodiscos…………………………………………………………...…33 1.3. Inmovilización enzimática…………………………………………………………………..36 1.3.1. Definición de inmovilización enzimática………………………………………………...38 1.3.2. Ventajas y desventajas de la inmovilización enzimática……………………………...39 1.3.3. Tipos de biorreactores con enzimas inmovilizadas……………………………………40 1.3.4. Biorreactores heterogéneos……………………………………………………………...42 1.4. Métodos de inmovilización enzimática…………………………………………………….43 1.4.1. Por retención física………………………………………………………………………..44 1.4.2. Por unión química…………………………………………………………………………48 1.5. Efectos y aplicaciones de la inmovilización enzimática…………………………………49 1.5.1. Efectos en la estabilidad y en la actividad enzimática………………………………...50 1.5.2. Elección del método de inmovilización………………………………………………….52 1.5.3. Aplicaciones de las enzimas inmovilizadas…………………………………………….54 Actividades………………………………………………………………………………………...54 Autorreflexiones…………………………………………………………………………………..55 Cierre de la unidad………………………………………………………………………………..55 Para saber más……………………………………………………………………………………56 Fuentes de consulta………………………………………………………………………………58

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Presentación de la unidad Estas por iniciar el estudio del apasionante mundo de las biopelículas y de los biorreactores enzimáticos. A través del análisis del contenido de la unidad se comprenderá qué son las biopelículas o biofilms, su importancia y aplicación; así como la utilidad de los reactores que emplean enzimas inmovilizadas. La presente unidad está formada por: Tema 1.1 Fundamentos teóricos de los biofilms. Se presentan las características, transporte, reacción y transferencia de oxígeno en las biopelículas, así como los reactores que las emplean.

Tema 1.2 Diseño de procesos de biopelícula. Se analiza la ecuación general de diseño de los procesos de biopelícula, la ecuación de diseño de un biofiltro y el dimensionado de biodiscos.

Tema 1.3 Inmovilización enzimática. Se exponen las ventajas y desventajas de la inmovilización enzimática y los tipos de reactores en los que se emplea.

Tema 1.4 Métodos de inmovilización enzimática. Se exponen los métodos de inmovilización por retención física y por unión química.

Tema 1.5 Efectos y aplicaciones de la inmovilización enzimática. Se analizan los efectos de la inmovilización en la estabilidad y actividad enzimática, así como las aplicaciones de este proceso.

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Propósitos de la unidad

Al término de la unidad serás capaz de:   

Identificar las características y fenómenos relacionados con las biopelículas.

Analizar los parámetros involucrados en el diseño de procesos de biopelículas mediante ecuaciones matemáticas.

Identificar el efecto de la inmovilización sobre la actividad enzimática.

Competencia específica

Analizar las características de los procesos de biopelículas por medio de cálculos con ecuaciones de diseño para identificar el efecto de la inmovilización en biocatalizadores.

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1.1. Fundamentos teóricos de los biofilms Te damos la bienvenida a la asignatura de Ingeniería de Biorreactores II. Cuando termines su estudio, serás capaz de diseñar biorreactores específicos a partir de parámetros fundamentales y ecuaciones de diseño asociadas… así que... ¡manos a la obra! Comencemos este camino platicando de los biofilms o biopelículas.

Alguna vez, cuando eras pequeño(a), en tu escuela o en tu casa te enseñaron a lavarte los dientes. Te preguntarás ¿esto qué tiene que ver con el tema? Al cepillarse los dientes se evita la formación de la placa dental, que es un ejemplo claro de una biopelícula, es decir, una comunidad de microorganismos que habitan en la superficie de los dientes, cubiertos de saliva y de una matriz de polímeros de origen bacteriano; así cuando te lavas la boca, eliminas nutrientes, como los carbohidratos fermentables provenientes de la dieta, que llevan a la producción de ácidos, con la consecuente acidificación de la biopelícula y el incremento de las bacterias mutans (Streptococcus mutans y Streptococcus sobrinus), consideradas como uno de los grupos cariógenos más agresivos (Pérez, 2005).

Figura 1. Fotografía con microscopio de una muestra de placa bacteriana, obtenida de surco de encía humana. Recuperado de: http://www.juanbalboa.com/blog/la-placa-bacteriana/

A continuación conocerás más acerca de las biopelículas, sus características y aplicaciones. Se estudiarán los siguientes tópicos:  

 

 

Definición de biofilms o biopelículas Características de las biopelículas Tipos de reactores de biopelícula Transporte y reacción dentro de la biopelícula Material soporte de la biopelícula Transferencia de oxígeno

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1.1.1. Definición de biofilms o biopelículas En la naturaleza los microorganismos rara vez viven en colonias aisladas de una sola especie, como suelen verse en el laboratorio. La mayoría de ellos viven en comunidades llamadas biopelículas.

Las bacterias coordinan sus actividades y se agrupan en comunidades gracias a la denominada “detección de quorum” (quorum sensing), lo que les permite obtener beneficios similares a los de los organismos pluricelulares (Tortora et al., 2007).

Es decir, las bacterias tiene la capacidad de comunicarse entre sí, a través de la secreción de moléculas señales, también conocidas como inductor (estas moléculas serían el equivalente del lenguaje en los humanos), y coordinar su comportamiento.

En otras palabras, el término quorum sensing se usa para describir el fenómeno en el cual la acumulación de moléculas señales permite a una célula individual percibir el número de bacterias que tiene a su alrededor por la detección y reacción con estos compuestos, esto es suficiente para que las bacterias inicien la expresión de genes específicos, lo que implica un cambio en su comportamiento hacia una fase multicelular.

Esto ocurre bajo condiciones apropiadas y cuando están en un número que supera un nivel crítico. Este fenómeno también se conoce como comunicación célula-célula y autoinducción (Rojas, 2011).

Figura 2. Representación de quorum sensing. Recuperado de: http://bacteriasactuaciencia.blogspot.mx/2011/03/la-bacteria-de-hormigon-armado.html

Por lo tanto, las biopelículas no son simples capas bacterianas sino sistemas biológicos, es decir, las bacterias se organizan en comunidades funcionales coordinadas. Las biopelículas se adhieren a una superficie, que puede ser una roca en un estanque, un diente humano o una mucosa.

Dentro de la comunidad de una biopelícula las bacterias pueden compartir nutrientes y refugiarse para evitar factores nocivos del ambiente como la desecación, los antibióticos y el sistema inmunitario humano (Tortora et al., 2007).

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Se puede concluir que una biopelícula o biofilm es un consorcio de microorganismos que crecen adheridos a una superficie, conocida como soporte, gracias a un polímetro extracelular que ellos mismos producen; es decir, una biopelícula está compuesta principalmente por células microbianas y polímeros extracelulares.

Para conocer más al respecto de este tema, te invitamos a revisar el artículo titulado “Las biopelículas en la industria de alimentos” de Navia, D. P., Villada, H. S. y Mosquera, S. A. (2010). En este documento encontrarás información relacionada con los aspectos biológicos y fisicoquímicos involucrados en la formación y desarrollo de las biopelículas, con su control, remoción y relación con la industria láctea, de cárnicos y de vegetales frescos.

Figura 3. Imagen de biofilm. Células bacterianas y polímero extracelular. Recuperado de: http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=EN_NEWS&ACTION=D&RCN=31591

1.1.2. Características de las biopelículas Ahora que ya sabes qué es una biopelícula, se discutirá acerca de su formación y de sus características. Observa con atención la siguiente imagen, ¿qué notas? ¿Cómo describirías las etapas su formación?

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Fig. 4. Ciclo de formación de una biopelícula. Recuperado de: http://www2.binghamton.edu/biology/faculty/davies/research.htm

Para el desarrollo de una biopelícula se siguen 5 etapas: Etapa 1: Acondicionamiento. Los microorganismos se adsorben a la superficie de un material por periodos cortos, es decir, existe una asociación débil al soporte.

Etapa 2: Adhesión. Una vez que los microorganismos logran estabilizarse sobre la superficie del soporte, se adhieren irreversiblemente a él, e inicia la división celular, dando lugar a microcolonias.

Etapa 3: Síntesis de matriz extracelular. Cuando existe una densidad de microorganismos suficiente, y la concentración de moléculas señales alcanza una concentración aceptable, se produce la síntesis de la matriz extracelular o exopolímero.

Etapa 4: Maduración. Existen cambios fenotípicos en la comunidad, debido a la cercanía y “comunicación” entre los microorganismos, se observa la formación tridimensional de la biopelícula y el desarrollo de canales por los que se transporta agua y oxígeno.

Etapa 5: Dispersión. Se desprenden células aisladas o la biopelícula, que vuelven a iniciar el ciclo al adherirse a otra superficie.

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Figura 5. Etapas de formación de una biopelícula. Tomado de: Castrillón, R. L. E., Palma, R. A., Padilla, D. M. C. (2010). Importancia de las biopelículas en la práctica médica. Dermatología Rev Mex. 54(1):14-24.

Una biopelícula perdurará, siempre y cuando, la velocidad de crecimiento de los microorganismos sea mayor que la tasa de pérdida de biomasa por envejecimiento o por fricción del medio.

Los biofilms presentan una serie de características que les confieren sus propiedades relevantes.

Heterogeneidad fisiológica: dentro de la biopelícula se puede observar un rango muy amplio de microambientes, separados unos de otros por mínimas distancias; se pueden encontrar ambientes muy diferentes en cuanto al contenido de nutrientes del medio, tensión de oxígeno, de dióxido de carbono, pH, etc. Por lo tanto, células de la misma especie bacteriana pueden presentar estados fisiológicos muy diferentes (anaerobias, aerobias, microaerobias, entre otras). Esta heterogeneidad explica la mayor resistencia de las bacterias cuando crecen en un biofilm (Enrile de Rojas, 2009).

Fenotipos: las bacterias, cuando crecen en el biofilm, manifiestan un fenotipo diferente respecto del que manifiestan cuando crecen aisladas; ya que los microorganismos de una biopelícula son más resistentes frente a diversos antimicrobianos y mantienen esta resistencia incluso cuando se desprenden del biofilm (Enrile de Rojas, 2009).

Señales del biofilm: las bacterias dentro de la biopelícula tienen capacidad para comunicarse entre ellas por medio de señales químicas y mediante transferencia de material genético. Esta capacidad de comunicarse entre las bacterias tiene influencia en la resistencia bacteriana frente a los antimicrobianos, la producción de factores de virulencia o en la estructura del propio biofilm (Enrile de Rojas, 2009).

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Capacidad adaptativa: las biopelículas deben mantener un equilibrio entre el crecimiento en condiciones favorables de aporte de nutrientes, de medio ambiente y el mantenimiento de la estructura del mismo. En condiciones desfavorables, el biofilm puede involucionar a estadios anteriores, pero en casi todas las situaciones se mantiene parte del mismo unido a la superficie, pudiendo volver a desarrollarse cuando las condiciones sean más favorables (Enrile de Rojas, 2009).

Resistencia frente a antimicrobianos: puede deberse a:   

 



Los antimicrobianos llegan en menores concentraciones (concentraciones no efectivas frente a las bacterias) a las zonas profundas del biofilm.

Las bacterias, cuando son atacadas con dosis subletales, tienen capacidad para desarrollar resistencia frente a los antimicrobianos.

En zonas profundas del biofilm, que tienen un menor aporte de nutrientes, las bacterias estarían en forma quiescente, que es un estado bacteriano no susceptible a los antimicrobianos.

Las bacterias, estarían protegidas por la matriz de exopolisacárido frente a los antimicrobianos.

Las bacterias presentes en el biofilm son capaces de sintetizar productos que inactivan antimicrobianos dirigidos contra bacterias de distinta especie residentes en el biofilm.

La edad del biofilm puede ser un factor para una mayor resistencia frente a los antimicrobianos (Enrile de Rojas, 2009).

En otras palabras: a) Están formadas por células microbianas y por polímeros extracelulares. b) Los microorganismos que las forman, generalmente, se presentan como consorcios de diversas especies (heterogenia). c) Tienen canales, o espacios intercelulares, a través de los cuales se transporta agua, nutrientes y oxígeno. d) La disponibilidad de nutrientes depende de la ubicación de los microorganismos en la biopelícula. e) Existe alimentación cruzada, es decir, los metabolitos de una clase de microorganismos, sirve de alimento a otro tipo. f) Existe transferencia horizontal de genes, plásmidos o fagos. g) La densidad de la biopelícula depende de la cantidad de microorganismos, de los exopolímeros, del sustrato, la cantidad de agua y los metabolitos residuales.

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Figura 6. Comunidad de microorganismos inmersos en una matriz orgánica polimérica extracelular.

Recuperado de: http://haccpconsultores.blogspot.mx/2012_01_01_archive.html

Para profundizar tu conocimiento acerca de las biopelículas, te proponemos realizar el estudio del artículo titulado “Biopelículas” de Harrison, J. J., Turner, R. J., Marques, L. L. R. y Ceri, H. (2006). Este documento muestra las características de las biopelículas y algunos ejemplos de matrices donde se desarrollan. Te permitirá vislumbrar como la vida bacteriana tiene consecuencias fundamentales para la medicina, la industria, la ecología y la agricultura.

1.1.3. Tipos de reactores de biopelícula En algunas comunidades marginadas, existe una disposición inadecuada de las aguas residuales, debido a que carecen de servicios de alcantarillado. Esto ha generado problemas ambientales, tales como: la proliferación de ratas, malos olores, la contaminación de los cuerpos de agua, la aparición de enfermedades que dañan a la población más vulnerable, entre otras.

Una solución a esta problemática es la utilización de biofiltros. Estos biorreactores permiten disminuir la cantidad de contaminantes en las aguas grises y brindan a la comunidad la posibilidad de reutilizarlas, lo que favorece la reducción del consumo de agua potable, implicando, a la vez, una ayuda económica para las familias; y por supuesto, la mitigación de los efectos antes mencionados.

Otras ventajas de los biofiltros son:

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a) b) c) d)

Su mantenimiento es sencillo.

Son amigables con el ambiente puesto que funcionan por gravedad.

No necesitan energía eléctrica.

El agua obtenida, al tener menos cantidad de agentes patógenos, puede utilizarse para recargar los acuíferos sin causar daño.

Figura 7. Sistema para el aprovechamiento de aguas grises. Recuperado de: http://genalecologico.ning.com/forum/topics/c-rculo-debananohttp://genalecologico.ning.com/forum/topics/c-rculo-de-banano

Para el diseño de un sistema de tratamiento de aguas grises se deben considerar: A) Dos tanques de separación: separan sólidos pesados, sólidos flotantes y grasas del agua.

B) Un biofiltro: elimina nitratos, fosfatos y materia orgánica.

C) Un tanque de almacenamiento para riego.

Para que un proceso, que implica el uso biopelículas, se lleve a cabo de manera adecuada, se deben proveer condiciones apropiadas de temperatura y nutrientes que permitan el óptimo desarrollo de los microorganismos. Es muy importante que se determine el tiempo de retención hidráulica (TRH), es decir, el periodo que estará en contacto el biofilm y el sustrato, a fin de garantizar el metabolismo de los nutrientes y la

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generación de los productos deseados. Las dimensiones del biorreactor están en función de las necesidades y del espacio disponible para su implementación.

Para el diseño de un biofiltro, se requiere determinar los siguientes parámetros: 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Temperatura promedio ambiente.

Concentración de la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) antes del tratamiento.

Concentración de DBO deseada al concluir el tratamiento.

Constante de velocidad de reacción.

Tiempo de retención hidráulica. Área del humedal.

Profundidad de la matriz porosa.

Ancho del biofiltro.

Longitud del biofiltro.

Para el cálculo del tamaño del biofiltro, se determina la temperatura promedio (°C) del lugar donde se desea instalar, ya que a partir de ella, es posible calcular la constante de velocidad de reacción y el TRH. Una opción para monitorear la temperatura ambiente es a través de estaciones meteorológicas portátiles, por un periodo mínimo de un año; o bien, se puede recurrir a reportes del clima que muestran el histórico de la variación de este parámetro.

Se debe medir la DBO del agua a tratar. Este parámetro indica la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos para degradar la materia orgánica, es decir, para metabolizarla. Sí quieres conocer la metodología del análisis puedes consultar la Norma Mexicana NMX-AA-028-1981 que puedes encontrar en http://200.77.231.100/work/normas/nmx/1981/nmx-aa-028-1981.pdf (Fecha de última consulta: 04/mayo/2013).

Para determinar la DBO deseada del agua a la salida del biofiltro, a fin de ser reutilizada, se debe considerar la normatividad vigente en México. Este valor se elige de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996, que puedes consultar en http://www.aguascalientes.gob.mx/imae/Leyes/pdfs/NOM-001.pdf (Fecha de última consulta: 04/mayo/2013).

Vertido en: Uso

Ríos Riego agrícola

Riego urbano

DBO mg/L

150

150

Embalses naturales y artificiales Protección Riego Riego vida agrícola urbano acuática 30 75 30

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Tabla 1. Resumen de lĂ­mites mĂĄximos permisibles de DBO para el uso del agua con diversos fines.

Fuente: Norma Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996. Fecha de Ăşltima consulta: 04/mayo/2013.

Recuperado de: http://www.aguascalientes.gob.mx/imae/Leyes/pdfs/NOM-001.pdf

Tipo de uso de suelo

Urbanoresidencial y negocios

Residencial

Agricultura

Pastura

Bosque

Humedales naturales

Ă rido

DBO mg/L

9

15

4

6

6

6

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Tabla 2. ParĂĄmetros permisibles de DBO para vertido del agua en suelo. Fuente: Bebaman, J., Armstrong, N., Maidment, D. (1996). Modeling of Dissolved Oxygen in the Houston Ship Channel Using Wasp5 and Geographic Information Systems. Fecha de Ăşltima consulta: 04/mayo/2013.

Recuperado de: http://www2.bren.ucsb.edu/~keller/courses/GP_reports/Diseno_Humedal_AguasGrises.pdf

Para el cĂĄlculo de la constante de velocidad de reacciĂłn (Kr) se emplea la siguiente ecuaciĂłn: đ??žđ?‘&#x; = đ??ž20 (1.06(đ?‘‡âˆ’20) ) Donde K20=velocidad de reacciĂłn a 20°C (1.1 dĂ­a-1); T=temperatura promedio del lugar (°C).

El tiempo de retenciĂłn hidrĂĄulica (TRH), es decir, el tiempo que el agua permanece en el sistema para alcanzar el nivel de DBO deseado, y para que los microorganismos metabolizen la materia orgĂĄnica; se calcula mediante la ecuaciĂłn: đ??ś đ??śđ?‘œ

−đ??żđ?‘› ( ) đ?‘‡đ?‘…đ??ť =

đ??žđ?‘&#x;

Donde TRH=tiempo de retenciĂłn hidraulica (dĂ­as); C=concentraciĂłn de DBO deseado (mg/L); C0=concentraciĂłn inicial (mg/L).

Hasta el momento, ya sabes como se estima la temperatura que tendrĂĄ el biofiltro y el tiempo que deberĂĄ permanecer el sustrato (el agua con nutrientes) en el biorreactor. A continuaciĂłn, se estiman las sus dimensiones.

Los biofiltros con configuraciĂłn de humedal artificial, son una zona construida por el hombre en la que se reproducen, de manera controlada, los procesos fĂ­sicos, quĂ­micos y

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biológicos de eliminación de contaminantes que ocurren normalmente en los humedales naturales o en los cuerpos de agua superficiales (IMTA, 2013).

Este tipo de sistemas está constituido por (IMTA, 2013): A) Un soporte o material granular: permite la fijación de la biopelícula bacteriana que interviene en la mayoría de los procesos de eliminación de contaminantes presentes en las aguas a tratar.

B) La vegetación: principalmente compuesta por macrófitas emergentes (plantas cuya raíz esta fija al soporte y sus tallos, hojas y organos reproductores se encuentran fuera del agua del humedal) que contribuyen a la oxigenación del soporte a nivel de la rizosfera, a la eliminación de nutrientes por absorción/extracción y al desarrollo de la biopelícula bacteriana.

C) El agua a tratar o influente: circula a través del soporte y la vegetación.

Figura 8. Humedal artificial. Recuperado de: http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/tecnologias/t/t5.html

Los mecanismos por los que este tipo de sistemas son capaces de depurar (eliminar contaminantes) las aguas residuales se basan en los siguientes principios (Atl, 2013): Eliminación de sólidos en suspensión gracias a fenómenos de filtración que tienen lugar entre el soporte y en las raíces.

Eliminación de materia orgánica gracias a la acción de los microorganismos (principalmente bacterias). Los microorganismos que se desarrollan pueden ser aerobios (en presencia O2) o anaerobios (en ausencia de O2).

Eliminación de nitrógeno por acción directa de las plantas o por procesos de nitrificación-desnitrificación desarrollados por los microorganismos antes mencionados.

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EliminaciĂłn de fĂłsforo principalmente debido a los fenĂłmenos de adsorciĂłn sobre los componentes del soporte.

EliminaciĂłn de patĂłgenos mediante la adsorciĂłn sobre partĂ­culas del soporte, la toxicidad producida por las raĂ­ces de las plantas y la acciĂłn depredadora de bacteriĂłfagos y protozoos.

Para estimar el ĂĄrea para la construcciĂłn del humedal, se considera el material del soporte. Su cĂĄlculo se realiza mediante la ecuaciĂłn: đ??´=

(đ?‘„)(đ?‘‡đ?‘…đ??ť) (Ρ)(đ?‘‘đ?‘¤ )

Donde A=årea (m2); Ρ=porosidad; dw=profundidad de la matriz porosa (m); Q=flujo diario medio (m3/día).

Sustrato Arena (media) Arena (gruesa) Arena con grava Grava (mediana) Grava (gruesa)

DiĂĄmetro de partĂ­cula (mm) 1 2 8 32 128

Porosidad (Ρ) 0.3 0.32 0.35 0.4 0.45

Tabla 3. DiĂĄmetro de partĂ­cula y porosidad de diversos materiales de soporte. Fuente: Yocun, D. (2007). Manual de diseĂąo: humedal construido para el tratamiento de las aguas grises por biofiltraciĂłn. Bren School of Environmental Science and Management. University of California.

Santa Barbara. 1:1-16.

El flujo diario medio, es el volumen que pasa por un ĂĄrea dada en un lapso de tiempo.

La profundidad de la matriz porosa (dw) debe ser de 0.4-0.85 m, para evitar, que con profundidades mayores se generen condiciones anĂłxicas (sin oxĂ­geno) que impidan la oxidaciĂłn de la materia orgĂĄnica.

El ancho del biofiltro, se calcula considerando el ĂĄrea (A) y la proporciĂłn longitud/ancho (RA) cuyo valor debe oscilar entre 2:1 y 4:1. đ??´ đ?‘Š=( ) đ?‘…đ??´

1â „ 2

Donde W=ancho del biofiltro (m); RA=proporciĂłn longitud/ancho.

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Finalmente, la longitud (L) se calcula mediante la expresiĂłn: đ??ż=

đ??´ đ?‘Š

Donde L=longitud del biofiltro (m).

Una alternativa para este tipo de sistemas es que la matriz porosa o soporte, puede rellenarse por dos o mĂĄs soportes, por ejemplo: arena fina, gruesa y grava.

La matriz funciona como soporte para las plantas ahĂ­ sembradas. En la superficie de las raĂ­ces, de los tallos y de la matriz misma, se desarrollan consorcios de microorganimos que contribuyen a la degradaciĂłn de la materia orgĂĄnica y a la eliminaciĂłn de los patĂłgenos. La formaciĂłn de esta pelĂ­cula tarda alrededor de 30 dĂ­as, sin embargo, la propagaciĂłn de las raĂ­ces de las plantas requiere de 2 a 3 meses.

Para la selecciĂłn de la planta a sembrar, se consideran especies locales que estĂŠn adaptadas a las condiciones climĂĄticas del lugar donde se establecerĂĄ el biofiltro. El tule, los juncos y los cĂŠspedes de caĂąa, son algunas de las opciones mĂĄs utilizadas con este fin.

Cuando se diseùa un sistema de este tipo, se debe considerar:    

 

La construcciĂłn debe tener una pendiente de aproximadamente 0.5%.

El material de construcciĂłn debe ser impermeable.

Se deben incorporar vĂĄlvulas de drenaje en el fondo para permitir la salida del agua tratada.

Se debe aplicar una capa de arena gruesa de 5 cm de espesor en el fondo del biofiltro, en seguida, de 45 a 65 cm de grava mediana, y en la parte superior, 5 cm de tierra orgĂĄnica.

La raĂ­z de la planta se debe colocar aproximadamente 5 cm debajo de la capa de tierra orgĂĄnica, con una separaciĂłn de 15 cm entre planta.

La primera vez que se llene el sistema, se debe esperar de 2 a 3 meses para permitir la propagaciĂłn de las raĂ­ces y el desarrollo de la biopelĂ­cula.

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Figura 9. Biofiltro para el tratamiento de aguas grises. Recuperado de: http://www.fpa.mma.gob.cl/archivos/2013/proyectos/Letrero_FPA_Biofiltro__Instituto_.jpg

El agua así tratada deberá pasar a un depósito, donde se almacene y sea utilizada para riego, o para el fin que hayas decido darle.

Pero no sólo los biofiltros emplean biopelículas, existen diversos tipos de reactores que la utilizan, tal es el caso de: Biofiltros. Son torres empacadas situadas sobre un dren elevado. El medio líquido escurre por gravedad. La materia orgánica disuelta es adsorbida, en la superficie del lecho, y degradada por la película biológica (Gómez, 2008).

Sistema de biodiscos o RBC. Está formado por un conjunto de discos de plástico, en los que crece la biopelícula, sujetos mediante un eje de acero inoxidable. La parte inferior de los discos es sumergida en un tanque reactor, mientras que la parte superior se encuentra en contacto con el aire (Gómez, 2008).

Sistema de biofiltro aereado sumergido o BAS. En estos reactores el biofiltro se encuentra totalmente sumergido en el tanque reactor. Se suministra oxígeno mediante burbujeo en la parte inferior del dispositivo (Gómez, 2008).

Sistema de película fija sumergida o PFS. Existe mayor contacto del biofiltro, que se encuentra totalmente sumergido en el tanque reactor, con el medio que contiene los sustratos y el aire inyectado. Existe un mayor mezclado y suministro de oxígeno que el sistema BAS (Gómez, 2008).

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Figura 10. Diseño de un biofiltro. Recuperado de: http://www.iingen.unam.mx/esmx/Publicaciones/GacetaElectronica/GacetaMarzo2013/Paginas/Eliminacionbiotecnologicademalo solores.aspx

Figura 11. Sistema de biodiscos. Recuperado de: http://www.depuradoras.eu/depuradorasurbanas-biodiscos.html

Para seguir conociendo respecto al tema, te sugerimos realizar la lectura del “Capítulo 2: Estado actual de los conocimientos” de la página 14-209, del trabajo de investigación titulado “Desarrollo de la biopelícula en medio soporte permeable” de Emilio Eguia López, perteneciente a la Escuela Superior de la Marina Civil, Departamento de Ciencias y Técnicas del Agua y del Media Ambiente de la Universidad de Cantabria. En este documento encontrarás los tipos de biorreactores que emplean biopelículas, las características (composición, espesor, densidad y reología).

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1.1.4. Transporte y reacción dentro de la biopelícula Los microorganismos, a través de su metabolismo, transfieren electrones desde un donador, tal como la glucosa, a un aceptor de electrones (Moreno, 2011). Generalmente, la materia orgánica o el ion amonio sirven como donadores de electrones y el oxígeno como aceptor.

De acuerdo a Eguia (1991), una vez transportados el donador y el aceptor de electrones a la superficie de la biopelícula, es necesario que penetren en su interior donde reaccionan.

Estos fenómenos de transporte y reacción son simultáneos.

El carácter gelatinoso de la matriz del biofilm contribuye al transporte convectivo de los constituyentes reactivos en el seno del consorcio y permite su difusión.

Figura 12. Simulación de la matriz de un biofilm. Recuperado de: http://www.medgadget.com/2012/07/new-imaging-modality-helps-study-workings-of-bacterialbiofilms.html

En otras palabras, la difusividad en una biopelícula depende de: a) Las especies microbianas que forman el biofilm. b) El espesor: existe un decremento en la difusión de los materiales al aumentar el espesor del biofilm. c) La rugosidad: al aumentar la edad de la biopelícula, incrementa la rugosidad y disminuye la difusión. d) La densidad: la difusividad disminuye al aumentar la densidad. e) El pH, la composición iónica y la resistencia iónica.

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Las reacciones dentro de la biopelícula son controladas por la concentración de los donadores y aceptores de electrones. Si la concentración de uno es mucho mayor que la del otro, entonces sólo controla un constituyente (Eguia, 1991).

Dichas reacciones se relacionan con la tasa de crecimiento del biofilm. Existen dos teorías que permiten explicar este fenómeno: Teoría no interactiva: sostiene que la tasa de crecimiento específico de los microorganismos que forman el biofilm, sólo puede ser limitada por un sustrato en el tiempo (Eguia, 1991).

Teoría interactiva: establece que si dos sustratos están presentes en concentraciones más bajas que las de saturación, entonces los dos afectan a la tasa de crecimiento específico de los microorganismos (Eguia, 1991).

1.1.5. Material soporte de la biopelícula Los procesos metabólicos que se llevan a cabo en reactores con biofilms, son realizados por poblaciones mixtas de microorganismos, formadas predominantemente por bacterias inmovilizadas al adherirse a un medio de soporte, lo que da lugar a una película sobre la superficie expuesta y en las cavidades del mismo. En este tipo de colonias, las bacterias se clasifican en dos tipos según su función: las activas que se encuentran situadas en la interfase de la capa externa de la biopelícula-líquido (son las responsables de metabolizar el sustrato) y las inactivas, localizadas hacia la parte interna de la biopelícula, responsables de su espesor (Millan, 2005).

Es imprescindible que exista un área de contacto grande entre la capa de líquido/aire y la biopelícula, con la finalidad de aumentar la transferencia de nutrientes y oxígeno a los microorganismos. Los soportes deben presentar las siguientes características (Iwai y Kitao, 1994; Millan, 2005):       

Gran área de superficie.

Porosidad alta.

Baja resistencia al flujo de agua.

Estabilidad química y biológica.

Resistencia a los cambios químicos en el agua.

Superficie de resistencia mecánica a la presión y abrasión.

Gran capacidad de atrapar sólidos suspendidos.

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  

La relación entre el peso específico del material con respecto al del agua debe ser pequeña para evitar que la carga sobre la estructura sea excesiva.

Precio bajo y de fácil abastecimiento.

Fácil de fabricar y de transportar.

Es difícil encontrar un medio de soporte que reúna todas las características anteriormente enunciadas. El tezontle, por ejemplo, cumple con algunas de ellas ya que presenta una gran porosidad, es rugoso, presenta gran área superficial, disponibilidad en el mercado y es económico (Millan, 2005).

Los medios de soporte orgánicos presentan una gran porosidad y superficie de contacto, lo que permite que la biopelícula metabolice altas cargas orgánicas (Ojeda y Buitrón, 2001; Millan, 2005).

Figura 13. Soporte para biopelículas. Tezontle. Recuperado de: http://www.materialesdeconstruccion.com.mx/materiales-tezontle.php

Entre los materiales que funcionan como soporte para el desarrollo de las biopelículas, se encuentran (Millan, 2005; Valdivia, 2005): a) Medios naturales: estómago de animales, superficie de las plantas, madera, superficies de los cráteres, entre otros. b) Materiales granulares irregulares: roca volcánica, arena, piezas de madera, plástico, corcho, carbón, etc. c) Materiales granulares regulares: anillos de poliuretano y las esferas de cerámica. d) Medios en forma de disco: rugosos, de madera y corrugados de plástico. e) Medios en forma de plato: de madera y corrugados de plástico. f) Medios con forma de lazos: ramas de árbol y barras de madera.

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g) Medios con forma de bloque poroso: tubos porosos de plástico.

Para lograr una correcta adhesión de los microorganismos a la superficie del soporte se debe considerar su porosidad y su área superficial específica.

La porosidad indica la irregularidad volumétrica del material. Se expresa como el porcentaje del volumen vacío con respecto al volumen total del material. Este parámetro es importante porque está directamente relacionado con el tiempo de retención hidráulica y con la cantidad de biomasa retenida en el biorreactor (Valdivia, 2005).

El área superficial específica determina la cantidad de película biológica y es una de las características directas y de las más importantes en el funcionamiento de los reactores con biopelículas. Si se tiene gran área específica se tiene la ventaja de que las partículas en suspensión colisiones con mayor frecuencia con las partículas que conforman el lecho logrando una mayor eficiencia en la remoción de sólidos (Valdivia, 2005).

Figura 14. Soporte plástico colonizado por bacterias. Recuperado de: http://www.iagua.es/noticias/depuracion/12/05/22/tratamiento-de-efluentes-con-alta-carga-deamonio-de-forma-sostenible-y-economica-17164

Para profundizar acerca del tema, puedes leer la información titulada “Medios de soporte comerciales” que encontrarás en las páginas 21-24 del “Capítulo 2. Antecedentes” del trabajo de investigación titulado “Tratamiento de aguas residuales municipales utilizando tres diferentes medios de soporte en lechos empacados” de Valdivia, S. C. A. (2005), de la Universidad Nacional Autónoma de México. Este documento te permitirá conocer

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algunos medios de soporte comerciales de la biopelícula, tales como: anillos de poliuretano, cubos de hule-espuma y esferas de cerámica.

1.1.6. Transferencia de oxígeno Los procesos de biopelícula pueden clasificarse como aerobios o anaerobios, sin embargo, aún en los tratamientos en presencia de oxígeno existen microorganismos anaerobios y facultativos. La coexistencia de los diferentes tipos de bacterias se debe a que el espesor que puede alcanzar la biopelícula dificulta la entrada de oxígeno disuelto, el cual penetra por difusión sólo cerca de la superficie del biofilm, dando lugar a zonas anóxicas lejos de la superficie (Millan, 2005).

Al hacer referencia a las biopelículas aerobias es necesario mencionar la necesidad de que el sistema en el cual se desarrollen cuente con un dispositivo para suministro de oxígeno (Millan, 2005).

En el caso de los filtros rociadores el oxígeno llega a la biopelícula por medio de una corriente de aire que se forma, de manera convectiva, dentro de la cama empacada, provocada por la diferencia de temperaturas entre el aire y el agua (Millan, 2005).

En los biodiscos, al girar el cuerpo de plástico corrugado, la biopelícula entra en contacto, de forma alternada, con los nutrientes que contiene el medio y con el oxígeno al salir de él (Millan, 2005).

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Figura 15. Difusión de oxígeno en una biopelícula. Recuperado de: http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/imprimir.asp?IdEntrega=2708

Los filtros sumergidos deben estar provistos de difusores de aire que produzcan burbujas desde el fondo del tanque para que al atravesar el sistema de soporte, el oxígeno se difunda hacia el agua y posteriormente a la biopelícula (González, 1998; Millan, 2005).

El oxígeno disuelto se difunde a través de los poros de la membrana, el cual es consumido por los microorganismos.

1.2. Diseño de procesos de biopelícula Ahora que ya sabes que una biopelícula o biofilm es un conglomero de microorganismos que se mantienen unidos, entre ellos y a un soporte, gracias a que producen polímeros extracelulares, se hablará acerca de su diseño. ¿Sabías que las biopelículas son ampliamente utilizadas para el tratamiento de aguas residuales?

Para este tipo de tratamiento, los microorganismos se adhieren a la superficie de un medio plástico, que entra en contacto con el agua residual, permitiendo que estos se alimenten de la materia orgánica disuelta, favoreciendo su degradación.

Sin embargo, en este proceso, los microorganismos producidos por la oxidación de la materia orgánica se van adhiriendo inicialmente a las paredes del medio plástico y posteriormente se forman varias capas biológicas sobrepuestas. Esto ocasiona que los microorganismos de la última capa (la exterior) tengan mayor contacto con el alimento y con el oxígeno del aire; en cambio, la capa adherida a la superficie plástica (la interior) cada vez tiene menos contacto con el sustrato y el oxígeno, por lo que en esta zona se dificulta la alimentación y respiración; hasta que muere y se desprende del plástico (Gómez, 2008).

Este fenómeno y el valor de la DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno), se toman en cuenta para el diseño de un proceso de biopelículas.

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Figura 16. Diagrama de las etapas de la formación de la biopelícula. Recuperado de: http://www.aguasresiduales.info/main/index.php?md_0=4&md_1=&id=1630&navi=Microsoft&vers= 5.0&plat=Win32

A través del desarrollo de los contenidos de este tema se abordarán los fundamentos del diseño de procesos de biopelícula. Se estudiará:   

La ecuación general de diseño para procesos de biopelícula La ecuación de diseño para biofiltros El dimensionado de biodiscos

1.2.1. Ecuación general de diseño para procesos de biopelícula Para que un proceso biológico, a través de biopelículas, se lleve a cabo, se requiere de un soporte, en el cual se fijan los microorganismos mediante un exopolímero secretado por ellos.

Como se vio en el tema anterior, los sistemas aerobios más conocidos son los biofiltros, los biodiscos (RBC), los biofiltros aereados sumergidos (BAS) y las películas fijas sumergidas (PFS).

De acuerdo a Gómez (2008), para deducir la ecuación general de diseño de un proceso de biopelícula se deben considerar las siguientes premisas:   

La concentración de DBO varía a lo largo del reactor y disminuye en el sentido del flujo.

El movimiento de cada partícula es siempre hacia adelante y no hay mezcla retrograda.

La cinética de reacción es de segundo orden e irreversible.

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

El reactante A es la materia orgånica expresada como DBO (alimento) y del reactante B son los microorganismos que se alimentan de la materia orgånica. La concentración del reactante B depende del årea del medio plåstico y de las condiciones del proceso.  El producto de la reacción es el incremento de biomasa de los microorganismos, que es a la vez es el reactante B. (No incluye otros subproductos resultantes del metabolismo de los microorganismos).  La relación M=reactante B / reactante A, varía continuamente en el tiempo.  Los reactantes A y B, no se alimentan de acuerdo a alguna relación estequiomÊtrica (siempre existirå reactante B para cualquier concentración del reactante A).  El medio en que se realiza el proceso es de densidad constante, por lo que se puede ignorar la variación de volumen del caudal por el efecto de la temperatura.  Se considera únicamente el comportamiento del proceso en rÊgimen estacionario (no se aborda la etapa en que no se han alcanzado dichas condiciones).  Sí disminuye el gasto masa de DBO que alimenta al proceso de biopelícula, se dificulta la alimentación de los microorganismos, se favorece el desprendimiento de la biopelícula del medio plåstico y disminuye la concentración de B en el reactor.  Sí aumenta el gasto masa de DBO alimentado al reactor, se favorece la alimentación y crecimiento de los microorganismos, y aumenta la concentración de B en el reactor.

A partir de ello, se definen las variables y relaciones siguientes: Fa=Gasto de masa de entrada del reactante A, DBO mg/s Xa=FracciĂłn del reactante A convertida en producto, adimensional -ra=Velocidad de reacciĂłn del reactante A, basada en volumen de fluido V=Volumen total del reactor dV=Diferencial de volumen GĂłmez (2008) propone la siguiente deducciĂłn para la ecuaciĂłn general de diseĂąo de un proceso de biopelĂ­cula.

El balance de materia, se expresa como: đ??¸đ?‘›đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž = đ?‘ đ?‘Žđ?‘™đ?‘’ + đ?‘‘đ?‘’đ?‘”đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘‘đ?‘Ž (đ?‘œđ?‘Ľđ?‘–đ?‘‘đ?‘Ž) En donde los componentes del balance, son: Universidad Abierta y a Distancia de MĂŠxico

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đ??¸đ?‘›đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž = đ??šđ?‘Ž (đ?‘”đ?‘Žđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ đ?‘šđ?‘Žđ?‘ đ?‘Ž đ?‘‘đ?‘’ đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘‘đ?‘Ž) đ?‘†đ?‘Žđ?‘™đ?‘’ = đ??šđ?‘Ž + đ?‘‘đ??šđ?‘Ž (đ?‘”đ?‘Žđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ đ?‘šđ?‘Žđ?‘ đ?‘Ž đ?‘?đ?‘œđ?‘› đ?‘™đ?‘Ž đ?‘“đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘?đ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘Łđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Ąđ?‘–đ?‘‘đ?‘Ž đ?‘’đ?‘› đ?‘?đ?‘&#x;đ?‘œđ?‘‘đ?‘˘đ?‘?đ?‘Ąđ?‘œ) đ??ˇđ?‘’đ?‘”đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘‘đ?‘Ž = −đ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘‘đ?‘‰ (đ?‘‘đ?‘’đ?‘ đ?‘Žđ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘’đ?‘?đ?‘’ đ?‘?đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Žđ?‘?đ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘›) Substituyendo se tiene: đ??šđ?‘Ž = (đ??šđ?‘Ž + đ?‘‘đ??šđ?‘Ž ) + (−đ?‘&#x;đ?‘Ž )đ?‘‘đ?‘‰ đ?‘‘đ??šđ?‘Ž = đ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘‘đ?‘‰ La variaciĂłn diferencial del gasto masa del reactante A en tĂŠrminos de la fracciĂłn convertida đ??šđ?‘Ž = đ??šđ?‘Ž0 − đ??šđ?‘Ž0 đ?‘‹đ?‘Ž đ??šđ?‘Ž = đ??šđ?‘Ž0 (1 − đ?‘‹đ?‘Ž ) đ?‘‘đ??šđ?‘Ž = đ?‘‘[đ??šđ?‘Ž0 (1 − đ?‘‹đ?‘Ž )] đ?‘‘đ??šđ?‘Ž = −đ??šđ?‘Ž0 đ?‘‘đ?‘‹đ?‘Ž = đ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘‘đ?‘‰

đ?‘‘đ?‘‰ đ?‘‘đ?‘‹đ?‘Ž = đ??šđ?‘Ž0 −đ?‘&#x;đ?‘Ž Por lo tanto: đ?‘‰

âˆŤ 0

đ?‘‹đ?‘Žđ?‘“ đ?‘‘đ?‘‰ đ?‘‘đ?‘‹đ?‘Ž =âˆŤ đ??šđ?‘Ž0 −đ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘œ

đ?‘‹đ?‘Ž đ?‘‰ đ?‘‘đ?‘‹đ?‘Ž =âˆŤ đ??šđ?‘Ž0 −đ?‘&#x;đ?‘Ž 0

SĂ­ se considera que: Ca0=concentracion inicial del reactante A, en mg/L Q=gasto volumĂŠtrico del fluido, en L/s đ??šđ?‘Ž0 = đ??śđ?‘Ž0 đ?‘„

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đ?‘‹đ?‘Ž đ?‘‰ đ?‘‘đ?‘‹ =âˆŤ đ??śđ?‘Ž0 đ?‘„ 0 −đ?‘&#x;đ?‘Ž

Por lo tanto: đ?‘‹đ?‘Ž đ?‘‰ đ?‘‘đ?‘‹ đ?‘Ąđ?‘&#x; = = đ??śđ?‘Ž0 âˆŤ đ?‘„ 0 −đ?‘&#x;đ?‘Ž

Donde tr=tiempo de retenciĂłn o residencia aparente.

Para una reacciĂłn de segundo orden se tiene: đ?‘&#x;đ?‘Ž = đ?‘&#x;đ?‘? = đ?‘˜đ??śđ?‘Ž đ??śđ?‘?

Donde k=constante cinĂŠtica, en dĂ­a-1.(mg/L)-1; Cb=concentraciĂłn de microorganismos, en mg/L; Ca=concentraciĂłn del sustrato, en mg/L. đ?‘‹đ?‘Ž

đ?‘Ąđ?‘&#x; = đ??śđ?‘Ž0 âˆŤ 0

đ?‘‘đ?‘‹ −đ?‘˜đ??śđ?‘Ž đ??śđ?‘?

Se define: đ?‘€=

đ??śđ?‘? đ??śđ?‘Ž

Por lo tanto: đ??śđ?‘? = đ?‘€đ??śđ?‘Ž Para: đ?‘€â‰ 1 Al integrar y sustituir lĂ­mites, se obtiene: đ?‘Ąđ?‘&#x; =

1 đ?‘€ − đ?‘‹đ?‘Ž đ??żđ?‘› đ?‘˜đ??śđ?‘Ž0 (đ?‘€ − 1) đ?‘€(1 − đ?‘‹đ?‘Ž )

đ?‘Ąđ?‘&#x; =

1 1 − đ?‘‹đ?‘Ž /đ?‘€ đ??żđ?‘› đ?‘˜đ??śđ?‘Ž0 (đ?‘€ − 1) 1 − đ?‘‹đ?‘Ž

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Tomando en cuenta que la relaciĂłn M se expresa en la forma: đ?‘€=

đ??śđ?‘?0 đ??śđ?‘Ž0

En esta relaciĂłn: Ca0=concentraciĂłn inicial de DBO, en mg/L Cb0=concentraciĂłn de microorganismos en el reactor, en mg/L La concentraciĂłn Cb0, en mg/L, es el peso de la biopelĂ­cula (Wp), en mg, divido entre el volumen del reactor (Vr), en litros.

đ??śđ?‘?0 =

đ?‘Šđ?‘? đ?‘‰đ?‘&#x;

El peso de los microorganismos Wp, es el volumnen de la biopelĂ­cula Vp, en cm3, multiplicando por el peso especĂ­fico de la biopelĂ­cula Yp, en mg/cm3.

đ?‘Šđ?‘? = (đ?‘‰đ?‘? )(đ?‘Œđ?‘? ) El volumen de la biopelĂ­cula Vp, en cm3, es el ĂĄrea de la biopelĂ­cula Ap, en cm2, multiplicada por el espesor medio de la biopelĂ­cula Ep, en cm. đ?‘‰đ?‘? = (đ??´đ?‘? )(đ??¸đ?‘? ) Sea la relaciĂłn M: đ?‘€=

đ??śđ?‘?0 đ??´đ?‘? đ??¸đ?‘? đ?‘Œđ?‘? /đ?‘‰đ?‘&#x; = đ??śđ?‘Ž0 đ??śđ?‘Ž0

SĂ­ se considera que D=densidad del medio (en cm2/L)=ĂĄrea para pelĂ­cula/volumen del reactor đ??ˇ=

đ??´đ?‘ƒ đ?‘‰đ?‘&#x;

Entonces: đ?‘€=

(đ??ˇ)(đ??¸đ?‘? )(đ?‘Œđ?‘?) đ??śđ?‘Ž0

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Se define una constante de proporcionalidad, denominada P, para el producto de multiplicar el espesor medio de la biopelĂ­cula por el peso especĂ­fico de ella. đ?‘ƒ = (đ??¸đ?‘? )(đ?‘Œđ?‘? )

(đ?‘?đ?‘š

đ?‘šđ?‘” đ?‘šđ?‘” = ) 3 đ?‘?đ?‘š đ?‘?đ?‘š2

M se puede expresar de la forma siguiente: đ?‘€=

(đ?‘ƒ)(đ??ˇ) đ??śđ?‘Ž0

La concentraciĂłn inicial Ca0=S0 (concentraciĂłn de DBO inicial) M se puede expresar de la forma siguiente: đ?‘€=

(đ?‘ƒ)(đ??ˇ) đ?‘†0

Sustituyendo Ca0 por S0 y; M por la expresiĂłn anterior en la ecuaciĂłn del tiempo de retenciĂłn, se obtiene: đ?‘Ąđ?‘&#x; =

1

đ?‘ƒđ??ˇ đ??żđ?‘› [ đ?‘˜đ?‘†0 (đ?‘†đ?‘œâˆ’1 )

1 − đ?‘‹đ?‘Ž đ?‘†0 /đ?‘ƒđ??ˇ ] 1 − đ?‘‹đ?‘Ž

El caudal del influente Q, en m3/d, para obtener el volumen del reactor, en m3. đ?‘‰đ?‘&#x; = đ?‘„đ?‘Ąđ?‘&#x; Para obtener el ĂĄrea total de contacto At (medio pĂĄstico), en m2, se aplica el valo de la densidad del medio, en m2/m3.

đ??ˇ đ?‘’đ?‘›

đ?‘š2 đ??ˇ đ?‘’đ?‘› đ?‘?đ?‘š2 /đ??ż = đ?‘š3 10 đ??´đ?‘Ą = (đ?‘‰đ?‘&#x; )(đ??ˇ)

k, es la constante cinÊtica. Por ser una reacción con cinÊtica de segundo orden se expresa en T-1.concentración-1. En este caso, día-1.(mg/L)-1. El valor determinado experimentalmente para PFS a temperatura de 20°C, k=0.016 días-1.(mg/L)-1

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P, es proporcional a la concentración de microorganismos en la superficie de medio plåstico, depende del espesor de la biopelícula y su peso específico. Ep.Yp (cm.mg/cm3=mg/cm2). El valor determinado experimentalmente para PFS a temperatura de 20°C, P=2.3 mg/cm2

1.2.2. EcuaciĂłn de diseĂąo para biofiltros Para mostrar las diferencias de requerimientos de ĂĄrea entre diferentes sistemas de biopelĂ­cula, se presenta como ejemplo, un influente unitario (1 L/s) con DBO de 200 mg/L, y se calculan las ĂĄreas de contacto para niveles de remociĂłn de 0% a 90 %. Las ecuaciones aplicadas se presentan a continuaciĂłn (GĂłmez, 2008): Biofiltro

Ecuación de Germaín �

đ?‘?=

đ??żđ?‘›(đ?‘†0 )(đ?‘žđ?‘› ) đ?‘’

đ?‘˜

Donde: Z=altura empacada S0=DBO del influente, en mg/L=200 mg/L Se=DBO del efluente, en mg/L=es funciĂłn de la remociĂłn q=caudal especĂłfico, en m3/hr)m2=1.8 n=constante de empaque=0.5 k=constante cinĂŠtica=0.09 đ??´đ?‘Ą =

đ?‘„ đ?‘ž

Donde: At=ĂĄrea transversal del biofiltro Q=caudal del influente, en m3/hr=3.6 D=densidad del empaque, en m2/m3=88

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EcuaciĂłn de Kinkanon Stove đ??´=

đ?‘„đ?‘†0 đ??ž1 đ?‘†0 đ??ž2 đ?‘†0 đ?‘†đ?‘’

Donde: K1=constante=3.403 K2=constante=3.37 S0=DBO del influente, en mg/L=200 mg/L Se=DBO del efluente, en mg/L=es funciĂłn de la remociĂłn Q=caudal del influente, en L/s=1 EcuaciĂłn de Popel đ??´=

(đ?‘„)(đ?‘†0 − đ?‘†đ?‘’ ) 1

(đ??ž)(đ?‘†đ?‘’ )(2)

Donde: K=constante=2.3 Q=caudal del influente, en m3/d=86.4 S0=DBO del influente, en mg/L=200 mg/L Se=DBO del efluente, en mg/L=es funciĂłn de la remociĂłn Biofiltro aereado sumergido, BAS EcuaciĂłn de Rusten Bjorn đ?‘&#x; đ??ˇđ?‘„đ?‘‚ =

(273)(đ??ľđ??ˇđ?‘„đ?‘‚) đ??ľđ??ˇđ?‘„đ?‘‚ + 360

Donde: BDQO=carga orgĂĄnica aplicada, en DQO/m2/d r DQO= tasa de remociĂłn, en g DQO removidos/m2/d La relaciĂłn entre la concentraciĂłn de la DQO y la DBO, se expresa como: DBO=0.381DBO-8.8, en mg/L

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1.2.3. Dimensionado de biodiscos Los biodiscos son dispositivos de plástico en cuya superficie se desarrolla la biomasa.

Una de las principales aplicaciones de estos dispositivos es para el tratamiento de aguas residuales, donde la biopelícula formada, es la responsable de la degradación de la materia orgánica disuelta y la disminución de la concentración de patógenos.

Los biodiscos, dentro del reactor, giran a bajas velocidades, lo que facilita la formación de la biopelícula. La rotación del disco tiene como finalidad: a) El mezclado en el tanque. b) Permite que la biomasa este en contacto con el oxígeno. c) Mantiene en suspensión los sólidos arrastrados, facilitando su separación en un clarificador secundario.

Para mantener un buen rendimiento en un sistema de depuración de aguas residuales, es importante el control de los siguientes factores: a) Temperatura: te recomiendo trabajar con la temperatura óptima de los microorganismos presentes, a fin de intensificar el proceso biológico. b) Velocidad de giro de los biodiscos: te recomiendo velocidades entre 1 y 5 rpm. c) Precipitaciones verticales: te recomiendo que las instalaciones del biorreactor se encuentren cubiertas, a fin de evitar el desprendimiento de la biopelícula de los discos por causa de la lluvia, granizo o cualquier otro factor externo que pueda dañarla.

Figura 17. Depuradora urbana con biodiscos. Recuperado de: http://www.verlag.com.br/index.php?id=pt&se=1

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Generalmente, un sistema de biodiscos consta de: un tanque sedimentador primario, un tanque reactor, discos de acrĂ­lico, un termostato digital y un tanque de sedimentaciĂłn secundaria.

Figura 18. Planta de contactores biolĂłgicos rotativos (RBC). Recuperado de: http://www.depursan.com/depuradoras/funcionamiento

Para que quede mĂĄs claro el diseĂąo del sistema de biodiscos, se realizarĂĄ un ejemplo.

El primer paso consiste en el cĂĄlculo del volumen del reactor, el cual se determina conociendo las dimensiones del tanque. Considera que se dispone de un tanque de radio=0.25 m, con una altura de 0.90 m; entonces el volumen serĂĄ: đ?‘‰ = đ?œ‹đ?‘&#x; 2 â„Ž

đ?‘‰ = đ?œ‹(0.25đ?‘š)2 (0.90 đ?‘š) = 0.18 đ?‘š3 = 180 đ??ż

Donde V=volumen del reactor (L), r=radio del tanque (m); h=altura (m).

Sin embargo, para determinar el volumen real del tanque, se debe considerar el porcentaje de inmersiĂłn del biodisco y la separaciĂłn entre el borde de los discos y el fondo del tanque, que se considera de aproximadamente del 31%, por lo tanto, el volumen del tanque serĂĄ de 55.8 L. El segundo paso consiste en el cĂĄlculo del caudal, cantidad de fluido que pasa un ĂĄrea en un determinado intervalo de tiempo, el cual debe ser constante para este tipo de casos. Si se considera que el tiempo necesario de depuraciĂłn es de 36 h, se tiene:

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đ?‘„=

đ?‘‰ 0.0558 đ?‘š3 đ?‘š3 = = 0.0372 đ?‘Ą 1.5 đ?‘‘Ă­đ?‘Žđ?‘ đ?‘‘Ă­đ?‘Ž

Donde Q=caudal (m3/dĂ­a); V=volumen real del reactor (m3); t=tiempo necesario para la depuraciĂłn (dĂ­as).

En tercer lugar se calcula la tasa de carga superficial del tanque sedimentador primario, el cual favorece la remociĂłn de sĂłlidos sedimentables y el material flotante del agua residual. Si se supone que las dimensiones del tanque son de 0.48 m de largo por 0.38 m de ancho; con un sistema de filtro y un espacio de 0.15 m de alto por 0.38 m de ancho para la sedimentaciĂłn de lodos, se tiene: đ??śđ?‘ =

đ?‘„ 0.0372 đ?‘š3 /đ?‘‘Ă­đ?‘Ž đ?‘š = = 0.204 2 đ??´ 0.1824 đ?‘š đ?‘‘Ă­đ?‘Ž

Donde Cs=carga superficial (m/dĂ­a); Q=caudal (m3/dĂ­a); A=ĂĄrea del tanque (m2).

En cuarto lugar se calcula el nĂşmero de discos necesarios para el diseĂąo. Para ello, es preciso conocer las medidas y la separaciĂłn entre ellos. Si se considera que: a) Las medidas de los discos es de 0.40 m de diĂĄmetro, con espesor de 0.005 m, de superficie rugosa. b) Los discos se encuentran unidos a un eje central de acero inoxidable de 0.90 m de longitud, que atraviesa el tanque reactor de forma longitudinal a 0.05 m de distancia a partir de la base. c) Los discos se fijan al eje a intervalos regulares. d) Para mantener la distancia entre los discos se coloca un corcho de 3 cm.

đ?‘ =

đ??ż 0.90 đ?‘š = = 28 đ?‘† + đ?›˝ 0.03 đ?‘š + 0.005 đ?‘š

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Donde N=número de discos; L=largo del eje (m); S=distancia entre discos (m); β=espesor de los discos (m).

Finalmente, se realiza el cĂĄlculo del ĂĄrea de los discos acorde con el diĂĄmetro del tanque reactor (0.50 m), de acuerdo a:

đ??´ = đ?œ‹đ?‘&#x; 2 = đ?œ‹(0.25)2 = 0.196 đ?‘š2 đ??´đ?‘‘ = đ??´đ?‘ = (0.196 đ?‘š2 )(28) = 5.50 đ?‘š2

Donde Ad=ĂĄrea de los discos (m2); r=radio de los discos; N=nĂşmero de discos; A=ĂĄrea de un disco (m2).

Para seguir profundizando en el tema se sugiere realizar el anĂĄlisis del documento “La biopelĂ­cula en los procesos RBCâ€? de Welter, A. B., Romero, J. M., SĂĄnchez, J. A. y Ascar, G. I. (2013), de la Universidad CatĂłlica de CĂłrdoba. Esta informaciĂłn presenta la formaciĂłn de la pelĂ­cula biolĂłgica y su rol en el proceso, algunos modelos conceptuales acerca de la estructura, la composiciĂłn microbiolĂłgica, la interacciĂłn entre los microorganismos y las propiedades fisicoquĂ­micas de la misma y de los biosĂłlidos sedimentables.

1.3. InmovilizaciĂłn enzimĂĄtica ÂżSabĂ­as que MĂŠxico es uno de los paĂ­ses con mayor incidencia de intolerantes a la lactosa? Es decir, cuando las personas consumen leche o cualquiera de sus derivados, presentan sĂ­ntomas digestivos tales como distensiĂłn y dolor abdominal, flatulencia y hasta diarrea. Esto se debe a que las personas, conforme van creciendo, pierden la capacidad de producir lactasa, una enzima presente en el intestino delgado, que es la responsable de hidrolizar la lactosa en galactosa y glucosa, que el organismo absorbe fĂĄcilmente.

La deficiencia de lactasa hace que muchos adultos sean incapaces de digerir la lactosa, por lo que deben limitar o incluso evitar por completo el consumo de leche y sus derivados, o bien, ingerir productos deslactosados. Sin embargo, debido a que estos, generalmente, tienen un sabor mĂĄs dulce, son rechazados por los clientes. Esta problemĂĄtica puede atacarse por medio de la microencapsulaciĂłn de la lactasa en liposomas DRV.

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Es decir, se preparan vesículas nanométricas, formadas de fosfolípidos, en cuyo interior se encapsula lactasa, también conocida como β-galactosidasa (Delgadillo, 2006). Una vez inmovilizada se agrega a la leche, que al ser consumida y llegar al intestino, permite la liberación de la enzima, quien hidroliza la lactosa del producto, evitando así, el sabor dulce de la leche y los problemas relacionados con la intolerancia.

Figura19. Diagrama de intolerancia y tolerancia a la lactosa. Recuperado de: http://www.nutira.es/Intolerancia.html

A través del desarrollo de los contenidos del tema, se abordarán los fundamentos de la inmovilización enzimática. Se estudiarán siguientes tópicos:   

Definición de inmovilización enzimática Ventajas y desventajas de la inmovilización enzimática Tipos de biorreactores con enzimas inmovilizadas

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1.3.1. Definición de inmovilización enzimática Las enzimas son los biocatalizadores por excelencia. Actuando en secuencias organizadas, catalizan cientos de reacciones en las rutas metabólicas de los seres vivos bajo condiciones óptimas. Poseen propiedades que convierten los procesos enzimáticos en excelentes competidores de los catalizadores químicos tradicionales (Montes, 2006; López, 2006): 

  

Gran eficiencia catalítica. Teniendo en cuenta que el principal objetivo de cualquier proceso de biotransformación es obtener una elevada conversión del sustrato en producto en el mínimo tiempo posible, el número de recambio y la estabilidad de la enzima juega un papel importante.

Elevada especificidad y selectividad (quimio-, regio- y enantioselectividad) dependiendo de su papel metabólico.

Actúan bajo condiciones suaves de reacción (presión, temperatura y pH).

Aceptabilidad medioambiental, ya que al ser compuestos biológicos se degradan completamente en el medio (Montes, 2006).

Figura 20. Imagen de la enzima trifosfato isomerasa. Recuperado de: http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/286783

En la actualidad se conocen más de 2000 enzimas pero, a pesar de las excelentes propiedades catalíticas que presentan, se explotan solamente unas 400 y en su mayoría se trata de enzimas extracelulares y de origen microbiano. Esto es debido a que las enzimas se han optimizado a lo largo de la evolución en función de su papel fisiológico y no en función de las necesidades de la industria. Por ello, muchas enzimas no son suficientemente estables bajo las condiciones de reacción deseadas; la agitación mecánica, los disolventes, las altas temperaturas, pH extremos, la necesidad de cofactores así como su inhibición por elevadas concentraciones de sustratos y productos, provocan la pérdida de su actividad y selectividad óptimas (Klibanov, 1983; Faber, 1996).

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La biotecnología tiene como objetivo superar todos aquellos inconvenientes que impidan la aplicación de las enzimas en los procesos industriales. Esto puede resolverse por medio de la inmovilización de la enzima como paso previo a su aplicación industrial (Montes, 2006).

Por tanto, la inmovilización enzimática es un método que permite limitar la movilidad de una enzima en un medio, debido a que se encuentra unida a un soporte.

Figigira 21. Inmovilización enzimática. Recuperado de: http://www.cial.uamcsic.es/pagperso/microbio/

Para profundizar en el tema te sugerimos la lectura del documento titulado “Enzimas inmovilizadas” de Cadena, V. A. M. (2006), que encontrarás de la página 15 a 19 del documento “Diseño de un reactor de lecho fijo para interesterificación enzimática” de la Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas de la Universidad Industrial de Santander. En este documento encontrarás los aspectos generales sobre la inmovilización de enzimas, las ventajas y desventajas de este proceso y los reactores enzimáticos que las emplean.

1.3.2. Ventajas y desventajas de la inmovilización enzimática Cuando una enzima tiene interés industrial para una determinada reacción, su aplicación está normalmente limitada por la falta de estabilidad operacional en las condiciones del proceso y por la dificultad de recuperar y reciclar el biocatalizador (Montes, 2006).

Una vez la enzima está inmovilizada pasa de ser un catalizador soluble a presentar las siguientes ventajas como catalizador heterogéneo (Arroyo, 1998; Montes, 2006):   

Reutilización o uso continuado, por lo que disminuyen los costes del proceso.

Fácil separación de la mezcla de reacción.

Posibilidad de modular las propiedades catalíticas.

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     

Prevención de la contaminación del producto con proteínas.

Prevención de una contaminación microbiana.

Posible estabilización de la estructura tridimensional de la enzima.

La posibilidad de diseñar un reactor enzimático de fácil manejo y control.

El uso de reactores con enzimas inmovilizadas permite el reciclado.

El uso de reactores con inmovilización enzimática permite el empleo de cargas elevadas de enzima.

Los principales inconvenientes del proceso de inmovilización son (Arroyo, 1998):  

 

La alteración de la conformación de la enzima respecto a su estado nativo.

La gran heterogeneidad del sistema enzima-soporte donde pueden existir distintas fracciones de proteínas inmovilizadas con un diferente número de uniones al soporte.

Siempre suele haber una pérdida de actividad de la enzima durante la movilización.

El biocatalizador es más caro que la enzima nativa.

Por tanto, ante un proceso de inmovilización, los parámetros cinéticos Km y Vmax cambian en relación a la enzima libre, ya que influyen los efectos estéricos y los fenómenos difusionales.

Las propiedades de los derivados enzimáticos (enzima inmovilizada) están determinadas tanto por las características de la enzima y por las del soporte sobre el que se inmoviliza.

La interacción entre ambos dará lugar a un derivado enzimático con propiedades químicas, bioquímicas y mecánicas específicas (Montes, 2006).

La velocidad y el rendimiento de la inmovilización dependen de distintos parámetros, entre los que se encuentran: el tipo de soporte, el método elegido de inmovilización, la concentración de enzima y de grupos reactivos en el soporte, el pH, la temperatura y el tiempo de reacción (Montes, 2006).

1.3.3. Tipos de biorreactores con enzimas inmovilizadas Muchos procesos de producción de sustancias de interés alimentario, clínico o industrial o de biodegradación de contaminantes y depuración de residuos utilizan enzimas específicas, ya sean libres o inmovilizadas, en los denominados reactores enzimáticos, que son los depósitos y las instalaciones donde se realizan las transformaciones deseadas mediante reacciones catalizadas enzimáticamente (Castillo, 2005).

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Existen diversos tipos de reactores cuya utilidad depende de los procesos considerados, los costes de instalación y funcionamiento, el tipo de enzima utilizada, su forma de presentación (libre o inmovilizada por cualquiera de los métodos que se verán en el tema 1.3.4) y de los factores ambientales como el pH, la temperatura, el aporte de oxígeno, entre otros (Castillo, 2005).

Entre los sistemas que emplean enzimas inmovilizadas, se encuentran los reactores de:      

Tanque agitado.

Tanque agitado y alimentación continua.

Lecho fluidizado y alimentación continua.

Lecho empaquetado y alimentación continua.

Lecho empaquetado, en continua y con reciclado.

Tanque agitado, alimentación continua y recuperación por ultrafiltración.

Figura 22. Reactores enzimáticos que emplean enzimas inmovilizadas. Tomado de: Arroyo, M. (1998). Inmovilización de enzimas. Fundamentos, métodos y aplicaciones. Ars Phrarmaceutica.

39(2):1-7.

Los reactores de tanque agitado continuos, trabajan en condiciones isotérmicas y en ausencia de efectos de partición; mientras que en los reactores de flujo pistón las enzimas se hayan inmovilizadas en la columna empacada.

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Los reactores de flujo continuo suelen utilizarse con enzimas inmovilizadas, que pueden estar empaquetadas en una fase sólida (packed bed flow reactor) o mantenerse en un estado fluido (fluidised bed flow reactor) y son empleados en procesos a gran escala, ya que son productivos y económicos en su funcionamiento, las pérdidas de enzima son menores, la producción es continua y no hay necesidad de vaciarlos y rellenarlos periódicamente.

Todos los reactores mencionados anteriormente pueden contener dispositivos de agitación o de enfriamiento o calentamiento para aumentar la eficiencia de los procesos enzimáticos que tienen lugar en ellos (Castillo, 2005).

1.3.4. Biorreactores heterogéneos El diseño de reactores para procesos catalizados por enzimas se fundamenta en el tradicional de reactores para procesos químicos con catalizadores heterogéneos. Los reactores enzimáticos pueden operar en lotes durante un proceso discontinuo o también funcionar en procesos de flujo continuo; en este último caso se distinguen dos variantes: el reactor de tanque agitado continuo (RTAC) y el reactor de flujo pistón (RFP) (Solís y Durán, 2008).

El reactor por lotes tiene un uso limitado en los procesos con enzima inmovilizada, ya que por lo general se hacen necesarias operaciones adicionales para la recuperación de la enzima, lo que puede representar una pérdida o inactivación de la misma (Solís y Durán, 2008).

En los RTAC el mezclado se considera perfecto y en RFP el mezclado es nulo; como consecuencia de ello, se concluye que las condiciones, como la concentración de sustrato, en cualquier instante dentro del RTAC son las mismas que en la corriente de salida; mientras que las condiciones en el RFP varían con la distancia existente entre la entrada y la salida del flujo. Los reactores enzimáticos de lecho fluidizado se consideran intermedios entre las condiciones correspondientes a los tipos antes señalados (Solís y Durán, 2008).

Para la elección del tipo de reactor que debe de diseñarse en un proceso enzimático específico, habrán de tomarse en cuenta varias consideraciones de índole técnica y económica. Entre otras puede citarse la disponibilidad y precios de enzimas y soportes, y cuando se trata de enzimas inmovilizadas, la necesidad y posibilidad de recuperación del catalizador. Es evidente que con enzimas inmovilizadas se prefieran los reactores continuos. Entre éstos el análisis teórico para casos específicos puede mostrar algunas ventajas intrínsecas (Solís y Durán, 2008).

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Otras consideraciones importantes se refieren a la forma y propiedades cinéticas y mecánicas de la preparación de enzima inmovilizada. Los esfuerzos cortantes provocados por la agitación pueden destruir o solubilizar la enzima. Por otro lado, la enzima inmovilizada preparada en pequeñas partículas puede ocasionar taponamientos o provocar altas caídas de presión en reactores de flujo pistón. Para reacciones con altos requerimientos de oxígeno se recomienda más el uso de un RTAC (Solís y Durán, 2008).

En términos generales se puede decir que no hay reglas simples en la selección del tipo de reactor para un proceso con enzima inmovilizada específica, cada caso requiere se tomen en cuenta las particularidades que le son propias (Solís y Durán, 2008).

1.4. Métodos de inmovilización enzimática En los últimos años, la biotecnología ha experimentado grandes avances y, paralelamente sus aplicaciones industriales en la obtención de productos químicos, en la industria alimentaria y farmacéutica. Los procesos catalizados en la industria son cada día más numerosos, ya que presentan una serie de ventajas frente a los catalizadores convencionales no biológicos (Arroyo, 1998).

Métodos de Inmovilización

Retención física

Atrapamiento

Geles

Fibras

Unión química

Inclusión en membranas

Encapsulación

Reactores

Unión a soporte

Absorción Iónica

Unión covale

Reticulado

Puro

Coreticulado

Figura 23. Métodos de inmovilización.

A pesar de ello, el empleo de enzimas no se ha generalizado en los procesos químicos industriales debido a que la mayoría de las enzimas no son estables en las condiciones de trabajo. Por otra parte, al ser solubles en agua, su separación de los sustratos y productos es difícil, y por tanto, no se pueden reutilizar (Arroyo, 1998). Con la inmovilización de las enzimas se han podido superar estos últimos inconvenientes, permitiendo que el proceso biotecnológico sea económicamente rentable (Arroyo, 1998).

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Existe una gran cantidad de métodos para inmovilizar enzimas, de manera general, se clasifican en dos grandes grupos: los métodos de retención física y los de unión química.

A través del desarrollo de los contenidos del tema.4 conocerás los métodos de inmovilización enzimática. Se estudiarán los siguientes tópicos:  

Métodos de inmovilización por retención física.

Métodos de inmovilización por unión química.

1.4.1. Por retención física Hace algún tiempo, se publicó un proyecto que consistía en la microencapsulación de enzimas en liposomas (Delgadillo, 2006). En dicho documento se expone que la principal propiedad de estas “cápsulas” radica en su capacidad para atrapar tanto compuestos polares como no polares.

Esto se debe, a que se forman a partir de moléculas anfipáticas (generalmente fosfolípidos), es decir, que tienen una región polar (cabeza hidrofílica) y una no polar (cola hidrofóbica).

Cuando dichas moléculas entran en contacto con el agua, las cabezas hidrofílicas son atraídas por el ella, y las colas hidrofóbicas la rechazan, por lo que, tienden a juntarse, dando lugar a una bicapa lipídica, de modo que pueden ordenarse para formar esferas bicapa concéntricas que envuelven por completo la región interna acuosa, lo que da lugar a los liposomas.

Fig. 24. Representación de un liposoma. Recuperado de: http://www.dermoceutical.com/es/index.php?option=com_content&view=article&id=50&Itemid=63

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Los liposomas se clasifican según su tamaño en pequeños y grandes. Por el número de bicapas en uni, oligo o multilaminares, es decir, se dividen en 4 categorías: a) b) c) d)

SUV: vesículas unilaminares pequeñas (15-25 nm).

LUV: vesículas unilaminares grandes (150-500 nm).

MLV: vesículas multilaminares (100-1000 nm).

OLV: vesículas oligolaminares (100 nm).

Los liposomas se pueden producir por el método de deshidratación-rehidratación (DRV), de acuerdo a la siguiente metodología (Delgadillo, 2006): 1. Se elige la relación molar de los constituyentes (fosfatidilcolina y colesterol) de la cápsula, es decir, los materiales de que estará hecha y la cantidad de cada uno de ellos.

2. La mezcla de los lípidos se disuelve en cloroformo.

3. Una vez incorporados, se elimina el disolvente a través de un rotavapor a presión reducida y a 35°C. 4. La capa resultante se rehidrata con buffer de fosfatos 0.1 M a pH 6.0, el cual debe contener 4% de sacarosa como agente crioconservador.

5. Las vesículas multilaminares formadas se someten a un proceso de ruptura a través de un sonicador de sonda a 150 W en un baño de hielo.

6. Se centrifuga a 1000 rpm durante 30 min a 4°C para eliminar los agregados lipídicos grandes y las partículas de titanio provenientes de la sonda.

7. A la dispersión de vesículas unilaminares pequeñas formada, se le adiciona una solución que contenga una enzima.

8. La mezcla se liofiliza durante 12 horas y se rehidrata con 5 mL de buffer.

9. Los liposomas formados se purifican dos veces por ultracentrifugación a 250,000 rpm por 2 horas a 10°C.

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Figura 25. Representación esquemática de una molécula anfipática, una bicapa y un liposoma.

Recuperado de: http://163.178.103.176/Fisiologia/general/dinamica/FG05_03b.jpg

Figigura 26. Liposomas MLV, SUV y LUV. Recuperado de: http://www.hindawi.com/journals/jnm/2012/673968/

Con este tipo de procedimientos se inmovilizan enzimas como la β-galactosidasa, con la finalidad de agregarla microencapsulada a la leche que toman las personas intolerantes a la lactosa. Ya que, dentro del estómago, los liposomas son destruidos por acción de los fluidos gástricos, con la consecuente liberación de la enzima, que actúa inmediatamente sobre la lactosa, produciéndose su hidrólisis; evitando así, las molestias generadas por este padecimiento.

Después de la inmovilización, se mide la actividad de la enzima libre y microencapsulada, para saber si el proceso de inmovilización afecta su actividad, lo cual, será tratado en el próximo tema.

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Por lo pronto, te recomendamos realizar el estudio de las páginas 3-25 del documento titulado “Preparación y caracterización de formulaciones liposomales para administración por vía oral” de Laura Graciela Hermida (2006). Esta información permitirá profundizar los conocimientos sobre la constitución de un liposoma, su estructura, características, clasificación, métodos de preparación y caracterización.

Además de la microencapsulación, existen otros métodos de inmovilización por retención física, tales como: Método de atrapamiento en geles: la enzima queda atrapada físicamente en el seno del gel, mediante un proceso de polimerización. A través de este método, la enzima no sufre alteraciones en su estructura. Se requiere de un control riguroso de las condiciones de polimerización y el empleo de monómeros que no alteren la composición o el sitio activo de la enzima.

Figura 27. Métodos de inmovilización enzimática.

Tomado de: Sassolas, A., Blum, L. J., Leca-Bouvier, B. D. (2012). Immobilization strategies to develop enzymatic biosensors. Biotechnology Advances. 30(3):489-511.

Método de atrapamiento en fibras: la enzima queda atrapada en las cavidades de una fibra sintética. A través de este método, la enzima no sufre alteraciones en su estructura.

Se requiere de un control riguroso de las condiciones de atrapamiento y el empleo de fibras que no alteren la composición o el sitio activo de la enzima.

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Microencapsulación: la enzima queda absorbida en vesículas semipermeables, que permiten el paso del sustrato y del producto, formadas generalmente por fosfolípidos.

Reactores de membrana: estos dispositivos utilizan membranas permeables al producto final (permiten su salida), pero impermeables a la enzima, de tal manera que es retenida en un área específica del reactor.

Para que sigas conociendo del tema puedes realizar la lectura del artículo “Inmovilización de células y enzimas” de Fajardo, O. R., Osuna, C. J. A., VillaVelázquez, M. C., Escalante, M. P. e Ibarra, J. V. (2011). En este documento se expone la descripción de los métodos de inmovilización reversibles (adsorción no específica, adsorción hidrofóbica, quelación o enlace metálico, formación de enlaces disulfuro) e irreversibles (formación de enlaces covalentes, formación de enlaces cruzados, atrapamiento por inclusión, atrapamiento por microencapsulación).

Puedes continuar con el estudio del documento titulado “Métodos de inmovilización” de Moreno, G. S. y Bayo, B. J. (1996), en el que encontrarás la explicación, ventajas y clasificación de los métodos de inmovilización en: a) biocatalizadores insolubles (atrapado, enlace covalente, adsorción física, quelación y entrecruzamiento) y biocatalizadores solubles (sin transformación química y con transformación química).

1.4.2. Por unión química Los métodos de inmovilización de enzimas por unión química se clasifican en dos tipos: unión a soportes y reticulado (entrecruzamiento).

Unión a soportes mediante absorción iónica: la enzima se une a un soporte no funcionalizado mediante interacciones iónicas, fuerzas de Van der Waals o por puentes de hidrógeno.

Esta unión dependerá del pH del medio, de la fuerza iónica y de la presencia, en la enzima, de cofactores iónicos. A pesar de que el empleo de esta técnica no origina cambios en la especificidad de la enzima, presenta una unión débil al soporte.

Unión a soportes mediante enlace covalente: esta técnica se basa en la activación de los grupos químicos del soporte que pueden reaccionar con grupos nucleófilos de la enzima. A pesar de tener diversas ventajas, el proceso de inmovilización por este método, podría alterar la estructura del centro activo, perdiendo o nulificando la actividad enzimática.

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Reticulado puro, entrecruzamiento o cross-linking: este método genera enzimas con enlaces intermoleculares irreversibles capaces de resistir condiciones extremas de pH y temperatura. Se emplean reactivos bifuncionales activados con carbodiinida.

Co-reticulado: en este método se emplean proteínas sin actividad enzimática y ricas en residuos de lisina, para generar el entrecruzamiento de las enzimas.

Para seguir conociendo acerca del tema, te recomendamos realizar el análisis del documento “Bio-reactores enzimáticos” de Juan Manuel Peralta (2011); en el que se presenta la clasificación de los métodos de inmovilización en: físicos y químicos. Además, se muestra la descripción de los mismos y el efecto en la transferencia de materia (resistencia externa e interna).

También, puedes leer las páginas 113-127 del documento titulado “Capítulo III. Purificación e inmovilización de enzimas industriales” de José Manuel Guisán Seijás; donde se explican los protocolos de inmovilización de enzimas: adsorción de enzimas sobre resinas de intercambio iónico, inmovilización covalente, inmovilización de enzimas a través de grupos amino de su superficie, soportes activados que reaccionan con grupos amino de la superficie de la enzima, inmovilización de enzimas sobre agarosa activada con bromocianógeno, inmovilización de enzimas sobre soportes aminados activados con glutaraldehído, inmovilización de enzimas sobre soportes comerciales conteniendo una alta concentración de grupos epóxido, entre otros. A demás, se expone la mejora de las propiedades de las enzimas mediante técnicas de inmovilización.

1.5. Efectos y aplicaciones de la inmovilización enzimática Una vez inmovilizada la enzima, se debe investigar si dicho proceso genera alguna alteración sobre la actividad enzimática.

Entre los parámetros a monitorear, tanto en la enzima libre como microencapsulada, se encuentran (Delgadillo, 2005): a) Las contantes cinéticas de Michaelis, a diferentes concentraciones de sustrato. b) El efecto del pH y la temperatura. c) La estabilidad ante la acción proteolítica.

De acuerdo a Delgadillo (2005), para enzimas inmovilizadas en liposomas, se ha observado que: 

Las enzimas microencapsuladas tienen menos afinidad al sustrato que las enzimas libres, debido a los cambios químicos y conformacionales a causa de su

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 



asociación con los lípidos de la vesícula en el momento de realizar la inmovilización.

La microencapsulación afecta el pH óptimo de la enzima, desplazándolo hacia valores superiores o inferiores, debido a los cambios en la composición química.

La estabilidad térmica de la enzima microencapsulada se ve beneficiada, ya que se necesitan de mayores temperaturas para lograr la desnaturalización de la misma.

La encapsulación en liposomas es un método efectivo para la protección biocatalítica de la inactivación por enzimas proteolíticas.

A través del desarrollo de los contenidos del tema se conocerán los efectos y aplicaciones de la inmovilización enzimática. Se estudiaran los siguientes tópicos:   

Efectos en la estabilidad y en la actividad enzimática Elección del método de inmovilización Aplicaciones de las enzimas inmovilizadas

1.5.1. Efectos en la estabilidad y en la actividad enzimática La actividad enzimática se ve influenciada por diversos factores, tales como: el pH, la temperatura y la concentración de sustrato.

En el caso particular de la inmovilización, podrían presentarse alteraciones en la estabilidad de la enzima. Es posible que se presenten cambios conformacionales, que haya desactivación por la unión del sitio activo con algún grupo del soporte o bien, que la orientación de la molécula de enzima unida al soporte pueda impedir el acceso de sustrato al sitio activo, o la liberación del producto.

Si la pérdida de actividad no es total después de la inmovilización, los cambios (disminución o aumento de la actividad enzimática) se deberán principalmente a efectos difusionales, electrostáticos, estéricos y/o del microentorno (Alfaro, 2012).

Efectos difusionales: como consecuencia de la inmovilización, la difusión de los sustratos hacia el centro activo de la enzima puede estar impedida por resistencias de tipo externo e interno. Las resistencias difusionales externas aparecen en enzimas inmovilizadas en soportes insolubles en el medio de reacción; en estos casos, el sustrato deberá atravesar la película líquida estacionaria (capa de Nernst o de difusión) que rodea el soporte. En las proximidades de un soporte no cargado, la concentración de sustrato es menor que en el resto de la disolución, puesto que existe un gradiente de concentración a través de la zona de difusión. Por tanto, los valores de Km para las enzimas inmovilizadas son siempre aparentes (Km’). Por otro lado, las resistencias difusionales internas son Universidad Abierta y a Distancia de México

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debidas a la dificultad de los sustratos para atravesar el interior del gel, microcápsula, fibra o poro del soporte donde se encuentra la enzima inmovilizada (Arroyo, 1998; Alfaro, 2012).

Figura 28. Efectos de difusión del sustrato al centro activo de la enzima inmovilizada. (A) Efectos difusionales internos, (B) efectos difusionales internos. Tomado de: Alfaro, U. Y. (2012). Nueva nucleósido 2´-desoxirribosiltransferasa de desulfotalea psycrophila. Facultad de Ciencias Biológicas. Universidad Complutense de Madrid. Pp. 17-35.

Efectos electrostáticos entre el sustrato y el soporte: en el caso de enzimas inmovilizadas en soportes cargados negativamente, si el sustrato también está cargado negativamente, existirá una repulsión mutua, lo que se traducirá en una reducción de la concentración efectiva de sustrato y por tanto de actividad con respecto a la enzima libre.

En este caso, el valor de Km’ aparente puede verse reducido hasta varias veces por debajo del obtenido en disolución. Por el contrario, si el sustrato posee carga positiva, habrá una atracción del sustrato hacia el soporte, con lo que aumentará la concentración efectiva de sustrato y por tanto aumentará la actividad enzimática con respecto a la enzima libre (Arroyo, 1998; Alfaro, 2012).

Impedimentos estéricos de sustrato: en un principio, cualquier enzima puede ser inmovilizada sin que haya una pérdida apreciable de su actividad. Este hecho suele ser válido en el caso de que el sustrato sea de bajo peso molecular, pero si se trata de sustratos con pesos moleculares elevados, la actividad de la enzima inmovilizada disminuye drásticamente. Este “efecto estérico” se puede evitar mediante una inmovilización covalente a través de un brazo espaciador enzima-soporte más largo (Arroyo, 1998; Alfaro, 2012).

Efectos en el microentorno: Cuando una enzima se encuentra unida a un soporte con grupos cargados eléctricamente, la enzima inmovilizada se encuentra en un entorno

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diferente al habitual. El efecto observado suele ser un desplazamiento en el valor del pH óptimo de la catálisis enzimática y, muchas veces, un mayor intervalo de pH en el cual la enzima presenta máxima actividad (Arroyo, 1998; Alfaro, 2012).

Si se encuentra unida a un soporte cargado positivamente (por ejemplo, DEAEsephadex), la enzima tendrá en su microentorno una concentración menor de hidrogeniones debido a una repulsión de cargas. Por tanto, el pH del microentorno será mayor que el pH del medio, y como resultado habrá un desplazamiento del pH óptimo de la enzima hacia valores más ácidos. Por el contrario, una enzima unida a un soporte cargado negativamente (por ejemplo, CM-sephadex) tendrá en su microentorno una concentración mayor de hidrogeniones que en el medio de reacción. En este caso, la enzima inmovilizada será más activa a un pH más alcalino (Alfaro, 2012).

Figura 29. Efectos de la carga del soporte en el microentorno de la enzima inmovilizada. (A) Efectos en soportes cargados positivamente, (B) efectos en soportes cargados negativamente.

Tomado de: Alfaro, U. Y. (2012). Nueva nucleósido 2´-desoxirribosiltransferasa de desulfotalea psycrophila. Facultad de Ciencias Biológicas. Universidad Complutense de Madrid. Pp. 17-35.

1.5.2. Elección del método de inmovilización Aunque se han desarrollado y aplicado muchas técnicas de inmovilización a numerosas enzimas, se reconoce que no existe un método universal válido para todas las enzimas en todos los casos. No obstante, gracias a la información disponible en la actualidad, se pueden hacer generalizaciones sobre cada método de inmovilización y así, podremos seleccionar el más adecuado para cada aplicación específica. La elección ha de tener en cuenta las condiciones de la reacción biocatalizador, el tipo de reactor que se vaya a utilizar, el tipo de sustrato que tenga que ser procesado y otros factores (Arroyo, 1998).

En general, los métodos de preparación difícil y de mayor coste proporcionan biocatalizadores más estables y duraderos; en cambio aquellos métodos más sencillos como el atrapamiento o la adsorción, donde la unión de la enzima con el soporte es débil, originan derivados inmovilizados que presentan pérdidas de actividad y que deben ser repuestos continuamente (Arroyo, 1998).

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Método Preparación Fuerza de unión Actividad enzimática Regeneración soporte Coste proceso Estabilidad Validez Resistencia microbiana

Inclusión en membranas Intermedia Débil

Atrapamiento Reticulado Intermedia Débil-media

Adsorción química Sencilla Media

Unión covalente Difícil Fuerte

Difícil Media

Media-alta

Baja

Baja

Media

Alta

Posible

Imposible

Imposible

Posible

Difícil

Medio-alto

Medio

Medio

Bajo

Alto

Media General Sí

Alta General Sí

Alta Limitada Sí

Baja General No

Alta Limitada No

Tabla 4. Comparación de los diferentes métodos de inmovilización. Fuente: Arroyo, M. (1998).

Inmovilización de enzimas. Fundamentos, métodos y aplicaciones. Ars Phrarmaceutica. 39(2):1-7.

La caracterización de un derivado inmovilizado incluye (Arroyo, 1998): A) Descripción general    

Esquema de reacción.

Enzimas a insolubilizar.

Tipo de soporte empleado.

Método de inmovilización.

B) Preparación   

Condiciones de reacción.

Rendimiento en peso seco.

Actividad residual del sobrenadante.

C) Caracterización fisicoquímica    

Configuración del biocatalizador.

Grado de hinchamiento.

Grado de compresibilidad en columna.

Abrasión en sistemas de agitación.

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

Velocidad mínima de fluidización.

D) Cinética     

Estabilidad de la enzima almacenada.

Estabilidad operacional.

Posibilidad de reutilización.

Grado de conversión.

Limitaciones difusionales.

1.5.3. Aplicaciones de las enzimas inmovilizadas Existen numerosas aplicaciones de las enzimas inmovilizadas, gracias a que esta tecnología permite el aumento de la estabilidad de la enzima, la reutilización del derivado y el reciclado de las enzimas, por lo que disminuyen los costes del proceso y el diseño de reactores enzimáticos de fácil manejo, control y con cargas elevadas de enzima.

Por todo ello, se pueden emplear en: a) La industria farmacéutica, para la obtención de antibióticos, de fármacos ópticamente puros y de vacunas. b) La industria alimentaria, para la hidrólisis de proteínas, carbohidratos, en la mejora de las características organolépticas de ciertos alimentos y en la obtención de edulcorantes y aditivos alimenticios. c) En el tratamiento de aguas residuales. d) En la industria química.

Actividades La elaboración de las actividades estará guiada por tu docente en línea, mismo que te indicará, a través de la Planeación didáctica del docente en línea, la dinámica que tú y tus compañeros (as) llevarán a cabo, así como los envíos que tendrán que realizar.

Para el envío de tus trabajos usarás la siguiente nomenclatura: BIB2_U1_A1_XXYZ, donde BIB2 corresponde a las siglas de la asignatura, U1 es la etapa de conocimiento, A1 es el número de actividad, el cual debes sustituir considerando la actividad que se realices, XX son las primeras letras de tu nombre, Y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.

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Autorreflexiones Para la parte de autorreflexiones debes responder las Preguntas de Autorreflexión indicadas por tu docente en línea y enviar tu archivo. Cabe recordar que esta actividad tiene una ponderación del 10% de tu evaluación.

Para el envío de tu autorreflexión utiliza la siguiente nomenclatura: BIB2_U1_ATR _XXYZ, donde BIB2 corresponde a las siglas de la asignatura, U1 es la unidad de conocimiento, XX son las primeras letras de tu nombre, y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno

Cierre de la unidad A lo largo de la unidad se han abordado aspectos relacionados con el diseño de biorreactores que utilizan biopelículas y enzimas inmovilizadas. Has logrado: 1. Identificar las características y fenómenos relacionados con las biopelículas.

2. Analizar los parámetros involucrados en el diseño de procesos de biopelículas mediante ecuaciones matemáticas.

3. Identificar los métodos de inmovilización y sus efectos sobre la actividad enzimática.

Con lo que se alcanza la competencia específica relacionada con la unidad 1 y te prepara para aplicar los conocimientos adquiridos en el desarrollo de la unidad 2 de esta asignatura.

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Para saber más

Puedes consultar el documento titulado “Las biopelículas microbianas, un búnker de uso habitual” de Carmen San José y Belén Orgaz (2010), del Departamento de Nutrición, Bromatología y Tecnología de los Alimentos de la Facultad de Veterinaria de la Universidad Complutense de Madrid. Este documento narra la importancia de la biopelículas en nuestra vida cotidiana, hace referencia a la matriz y como está interfiere en la velocidad de difusión de los solutos y, finalmente, conduce a un análisis que te permite discernir entre los biofilms “malos” y los “buenos”.

Puedes consultar el video “Soluciones innovadoras en detección de biofilms y microorganismos” de Biofinder (2013), en que se muestra una simulación de la formación de una biopelícula. Fecha de última consulta: 15/abril/2013. Recuperado de: http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=bCptPWmMdwo Puedes consultar el video “Liposome Basics-Part one” (2009), en el que se describen los conceptos básicos de los liposomas. Fecha de última consulta: 15/abril/2013. Recuperado de: http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=04SP8Tw3htE Puedes consultar el video “Liposome Basics-Part two” (2009), en el que se describen los métodos de preparación, tamaño y encapsulación de fármacos en liposomas. Fecha de última consulta: 15/abril/2013. Recuperado de: http://www.youtube.com/watch?v=vGzqDE3Go4&feature=player_detailpage Cadena, V. A. M. (2006). Enzimas inmovilizadas. Diseño de un reactor de lecho fijo para interesterificación enzimática. Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas. Universidad Industrial de Santander. 15-19.

Universidad Abierta y a Distancia de México

56

U1

Ingeniería de biorreactores II Biofilms y biorreactores enzimáticos

Eguia, L. E. (1991). Capítulo 2: Estado actual de los conocimientos. Desarrollo de la biopelícula en medio soporte permeable. Escuela Superior de la Marina Civil.

Departamento de Ciencias y Técnicas del Agua y del Media Ambiente. Universidad de Cantabria. 1: 14-209.

Fajardo, O. R., Osuna, C. J. A., VillaVelázquez, M. C., Escalante, M. P., Ibarra, J. V. (2011). Inmovilización de células y enzimas. Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila. 3(6):42-56.

Guisán, S. J. M. (2012). Capítulo III. Purificación e inmovilización de enzimas industriales.

113-127. Fecha de última consulta: 15/abril/2013. Recuperado de: https://docs.google.com/a/upmh.edu.mx/viewer?a=v&q=cache:G3xnb9Cs7rUJ:www.anale sranf.com/index.php/mono/article/view/1315/1373+&hl=es419&gl=mx&pid=bl&srcid=ADGEESi6fh_WzvCKe9qGzECikYXdKE5haMPzNXKLNhXIgsyOqo_KM24zz2KvGT_JH5aP4XT3e1SmOJ5UFLgphZwl0-x43VLmYBb13ZytJneMF5DJgrmztVQqPy9o6fkMQxkwxSOoh&sig=AHIEtbSOx8TSmpQL9TgoIaUcYL2_o5sN4 Q#ld Harrison, J. J., Turner, R. J., Marques, L. L. R. y Ceri, H. (2006). Biopelículas.

Investigación y Ciencia. 76-83.

Hermida, L. G. (2006). Preparación y caracterización de formulaciones liposomales para administración por vía oral. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Universidad de Buenos Aires. 3-25.

Moreno, G. S., Bayo, B. J. (1996). Métodos de inmovilización.Diseño de biorreactores y Enzimología. 4ta. edición. Editorial: Servicio de Publicaciones, Universidad de Murcia.

España. 155-173.

Navia, D. P., Villada, H. S., Mosquera, S. A. (2010). Las biopelículas en la industria de alimentos. Facultad de Ciencias Agropecuarias. 8(2):118-128.

Peralta, J. M. (2011). Bio-reactores enzimáticos. Operaciones y procesos biotecnológicos I. Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas. Universidad Nacional del Litoral. 1-28.

Valdivia, S. C. A. (2005). Medios de soporte comerciales. Capítulo 2. Antecedentes.

Tratamiento de aguas residuales municipales utilizando tres diferentes medios de soporte en lechos empacados. Universidad Nacional Autónoma de México. 21-24.

Welter, A. B., Romero, J. M., Sánchez, J. A., Ascar, G. I. (2013). La biopelícula en los procesos RBC. Universidad Católica de Córdoba. 1-17.

Universidad Abierta y a Distancia de México

57

U1

Ingeniería de biorreactores II Biofilms y biorreactores enzimáticos

Fuentes de consulta

Alfaro, U. Y. (2012). Nueva nucleósido 2´-desoxirribosiltransferasa de desulfotalea psycrophila. Facultad de Ciencias Biológicas. Universidad Complutense de Madrid. Pp. 17-35.

Arroyo, M. (1998). Inmovilización de enzimas. Fundamentos, métodos y aplicaciones. Ars Phrarmaceutica. 39(2):1-7.

Atl (El portal del agua desde México). (2013). Los humedales artificiales: componentes y tipos. Fecha de última consulta: 30/mayo/2013. Recuperado de: http://www.atl.org.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=5954:loshumedales-artificiales-componentes-y-tipos&catid=119:investigacion-y-agua&Itemid=462 Castillo, R. F. (2005). Biotecnología ambiental. 1era. Edición. Editorial: Tebar S. L. Madrid.

ISBN: 978-84-7360-211-2.

Delgadillo, A., Rodríguez-Nogales, J. M. (2005). Stability and catalytic kinetics of microencapsulated β-galactosidase in liposomes prepared by the dehydration-rehydration method. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 33:15-21.

Delgadillo, L. A., Rodríguez-Nogales, J. M. (2006). A novel approach to develop βgalactosidase entrapped in liposomes in order to prevent an immediate hydrolysis of lactose in milk. International Dairy Journal. 16:354-360.

Eguia, L. E. (1991). Capítulo 2: Estado actual de los conocimientos. Desarrollo de la biopelícula en medio soporte permeable. Escuela Superior de la Marina Civil.

Departamento de Ciencias y Técnicas del Agua y del Media Ambiente. Universidad de Cantabria. 1: 14-209.

Universidad Abierta y a Distancia de México

58

U1

Ingeniería de biorreactores II Biofilms y biorreactores enzimáticos

Enrile de Rojas, F., Fuenmayor, F. V. (2009). Manual de higiene bucal. 1era. Edición.

Editorial: Médica Panamericana. Buenos Aires. ISBN: 978-84-9835-137-8.

Faber, K. (1996). Biotransformation in Organic Chemistry. Springer. New York. 345-356.

Montes, F. T. (2006). Ingeniería de la superficie de la penicilina G acilasa para el desarrollo de nuevos métodos de inmovilización y estabilización. Universidad Autónoma de Madrid. Pp. 2-4.

Gómez, S. D. (2008). Ecuación general de diseño para procesos de biopelícula. Foro del agua. 12(48):29-34.

González, O., Valdivia, C., González, S. (1998). Mejoramiento del sistema de filtración combinada para el tratamiento de aguas residuales. Informe de proyecto No. 7390.

Instituto de Ingeniería. Programa Universitario de Medio Ambiente. UNAM. IMTA (Instituto Mexicano de Tecnología del Agua). (2013). Los humedales artificiales: Componentes y tipos. Fecha de última consulta: 17/mayo/2013. Recuperado de: http://www.atl.org.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=5954:loshumedales-artificiales-componentes-y-tipos&catid=119:investigacion-y-agua&Itemid=462 Iwai, S., Kitao, T. (1994). Wastewater treatment with microbial films. Technomic Publishing Company Inc. USA. Pp. 89-92.

Klibanov, A. M. (1983). Enzymes: Nature´s chemical machines. Technology review. 86: 40-50.

López, G. F. (2006). Desarrollo de nuevos catalizadores enzimáticos para la producción directa de cefalosporinas semisintéticas a partir de cefalospotina C. Universidad Autónoma de Madrid. Pp. 13-14.

Millan, S. T. C. (2005). Filtración biológica aerada de aguas residuales en un lecho profundo. Universidad Nacional Autónoma de México. Pp. 12-35.

Moreno, B. L. D. (2011). Celdas microbianas de biocombustible: origen, avances y aplicaciones para la generación de energía. Universidad Nacional Autónoma de México.

Pp. 8-9.

Ojeda, R. L., Buitrón, M. G. (2001). Selección del medio de soporte para un reactor SBR anaerobio/aerobio. IX Congreso Nacional de Biotecnología y Bioingeniería. Veracruz, México.

Universidad Abierta y a Distancia de México

59

U1

Ingeniería de biorreactores II Biofilms y biorreactores enzimáticos

Pérez, L. A. G. (2005). La biopelícula: una nueva visión de la placa dental. Rev. Estomatológica Herediana. 15(1):82-85.

Rojas, B. M. M. (2011). Quorum sensing en la asociación beneficiosa de las bacterias con las plantas. Rev. Colomb. Biotecnol. 13(2):135-143.

Solís, F. J. A., Durán, D. C. (2008). Reactores enzimáticos en el procesamiento de residuos agroindustriales: residuos lácteos con β-galactosidasa inmovilizada.

Departamento de Alimentos y Biotecnología. Universidad Veracruzana. 85-114.

Tortora, G. J., Funke, B. R., Case, C. L. (2007). Introducción a la microbiología. 9a.

Edición. Editorial Médica Panamericana. Buenos Aires. ISBN: 978-950-06-0740-7.

Valdivia, S. C. A. (2005). Medios de soporte comerciales. Capítulo 2. Antecedentes.

Tratamiento de aguas residuales municipales utilizando tres diferentes medios de soporte en lechos empacados. Universidad Nacional Autónoma de México. Pp. 21-24.

Universidad Abierta y a Distancia de México

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