El D-manitol (en el trabajo, manitol) es un alcohol de azúcar (o poliol) natural con seis átomos de carbono. Es solamente la mitad de dulce que la sacarosa. Sin embargo, el manitol y otros alcoholes de azúcar exhiben valores calóricos reducidos comparados con el valor respectivo de la mayoría de los azúcares, lo cual los hace aplicables como endulzantes en los alimentos ?ligeros?. Además, los alcoholes de azúcar son metabolizados independientemente de la insulina, y por ello también son aplicables a productos alimenticios para diabéticos. Además de las aplicaciones en la industria de alimentos, el manitol también se usa en la industria farmacéutica. En medicina, el manitol se usa para disminuir el edema celular (acumulación excesiva de fluidos), y aumenta la salida de orina.En esta tesis doctoral sedescribe el desarrollo de un nuevo bioproceso para la producción de manitol. Para este propósito, se estudian aspectos tales como la selección de cepas, elección del método de proceso, optimización de parámetros de proceso, escalado, así como ingeniería metabólica. Hasta el presente (al menos hasta el 2002), el manitol se producía comercialmente por medio de hidrogenación catalítica de sirupes (jarabes) con contenido de fructosa. Los métodos de producción química existente están caracterizados, sin embargo, por varios inconvenientes. El mayor de éstos es la baja conversión de la fructosa catalíticamente hidrogenada en manitol (50%), convirtiéndose el resto en sorbitol. Adicionalmente, se requieren materias primas ultra puras, muy costosas (fructosa y gas hidrógeno) para una conversión eficiente. Cuando se emplean materias primas más económicas (jarabes de fructosa-glucosa) como material de partida para hidrogenación catalítica, el principal producto es sorbitol, y el manitol se forma como subproducto. De aquí que la producción de manitol se vuelva muy dependiente de la demanda en el mercado de sorbitol; además, el manitol es relativamente difícil de purificar a partir del sorbitol, y se requiere intercambio iónico para remover el catalizador metálico de la solución producida. Todo esto resulta en unos costos de producción elevados y rendimientos bajos.El proceso de producción microbiano de manitol descrito en esta tesis está basado en los cultivos de alta densidad de células de bacterias de ácido láctico heterofermentativas de bajo crecimiento. La bioconversión de fructosa a manitol fue llevada a cabo en un biorreactor de reciclo de células de membrana, agitado lentamente, equipado con control de temperatura y pH. No se requirió ni aireación ni purga de nitrógeno en el medio de bioconversión, lo cual diminuyó drásticamente los costos de inversión de planta. Un detalle importante en el nuevo bioproceso fue la reutilización de biomasa de células en las conversiones sucesivas. En un experimento de producción semicontinua, la biomasa inicial de células proporcionaba productividades y rendimientos estables de manitol para al menos 14 cochadas (batches) consecutivos. Además, usando un protocolo de purificación simple que comprendía la cristalización en frío de una solución supersaturada y recuperación de cristales mediante una centrifugación de tambor, se obtuvieron altos rendimientos de alta pureza (>98%) de cristales de manitol. Además, en ensayos de escalado, el proceso microbiano de producción de manitol se llevó a cabo exitosamente a escala piloto pequeña (100 L)

Los modelos de simulación juegan un papel fundamental en el desarrollo y operación de los procesos de polimerización. Se puede usar un modelo para planear y optimizar operaciones de cambio de grado, para desembotellar procesos existentes, o para diseñar nuevos productos. También se puede emplear un modelo para cálculos de escalado, o para diseñar una actualización de un proceso. Las compañías pueden ahorrar mano de obra, materia prima y recursos energéticos al emplear simulaciones en lugar de experimentar sobre la base del ensayo y error cuando trata de abordar alguna de estas tareas.El modelamiento de propiedades físicas es esencial para la simulación de procesos químicos, y no puede ignorarse cuando se llevan a cabo cálculos de diseño. Las propiedades físicas principales involucradas en este caso son densidad, presión de vapor, capacidad calorífica, entalpía, calor de vaporización, y calor de polimerización. Estas propiedades tienen impacto en el equilibrio de fase, dimensionamiento de equipos, y requerimientos energéticos, entre otras variables asociadas con el diseño y modelamiento de procesos.Esta disertación describe los componentes y técnicas de modelamiento esenciales para construir modelos completos de procesos de polimerización para poliolefinas catalizadas por metales. El significado de este trabajo consiste en que presenta un enfoque extenso al modelamiento de procesos de polimerización aplicada a procesos comerciales de gran escala. La mayoría de los investigadores solo se enfocan en los mecanismos de polimerización y cinética de reacción, y desatienden las propiedades físicas y el equilibrio de fases. Ambos, las propiedades físicas y el equilibrio de fases, juegan un papel clave en la exactitud y robustez de un modelo.Este trabajo presenta los principios fundamentales y las directrices prácticas usadas para desarrollar y validar los modelos de simulación en estado estacionario y dinámica para dos procesos comerciales a gran escala que involucran polimerización Ziegler-Natta para producir polietileno de alta densidad (HDPE) y polipropileno (PP). También proporciona un modelo para la polimerización en solución de etileno usando un catalizador metaloceno. Los esfuerzos de modelamiento existentes no incluyen propiedades físicas o equilibrio de fase en sus cálculos. Estas omisiones socavan la exactitud y el poder de predicción de los modelos. Los capítulos posteriores de esta disertación discuten los conceptos fundamentales que se consideran en el modelamiento de procesos de polimerización. Estos incluyen propiedades físicas y termodinámicas, equilibrio de fases, y cinética de polimerización. Los últimos capítulos proporcionan las aplicaciones del modelamiento descritas anteriormente.

En este estudio se escaló un generador de dispersión de microburbujas de 1 L (teniendo un volumen de trabajo de 0.5 L) a fermentaciones de volumen de trabajo de 20 y 50 L para investigar el efecto sobre la velocidad de transferencia de oxígeno durante el cultivo de levadura de panadería Saccharomyces cerevisiae ATCC 4111.Los patrones de crecimiento de cultivo microbiano muestran una fase inicial lenta (fase lag), seguida de una fase exponencial rápida (fase log), y luego una fase estacionaria donde no ocurre crecimiento debido a las limitaciones de los nutrientes. Son deseables unas fases cortas lag y log para cultivos a gran escala más económicos. Los cultivos típicos aeróbicos a gran escala de 10.000 L o mayores tienen una transferencia de masa de oxígeno limitada. El área de superficie interfacial gas-líquido y los fenómenos de tiempo de residencia de las burbujas son los pasos limitantes de envío de oxígeno a los microorganismos.Se ha mostrado que la dispersión de microburbujas (MBD) puede usarse eficientemente para incrementar la velocidad de transferencia de oxígeno en un sistema de fermentación aeróbica. La aplicación de la MBD en una fermentación de tanque de agitación aeróbico fue investigada por Kaster et al. (ver bibliografía en el documento) en un fermentador de 2 L, teniendo un volumen de trabajo de 1.5 L. La dispersión de microburbujas proporcionó una transferencia de oxígeno eficiente, con valores de KLa que eran más grandes un 30% que el aire burbujeado a una potencia de agitador equivalente a las razones de volumen.En esta investigación se empleó una dispersión de microburbuja para suministrar oxígeno para una fermentación aeróbica de levadura de panadería. El generador MBD de 1 L proporcionaba burbujas para fermentaciones con un volumen de trabajo de 20 y 50 L en un fermentador a escala piloto de 72 L. Se estabilizaron las microburbujas con los surfactantes presentes de forma natural en el medio de cultivo. Fueron comparados los patrones de crecimiento de la levadura Saccharomyces cerevisiae, cultivada a velocidades de agitación de 150 y 500 rpm, para oxígeno suministrado por burbujeo de aire ordinario y MBD. Ambos sistemas, aire burbujeado y MBD, fueron suministros de aire a velocidades de flujo volumétrico equivalentes.Los coeficientes volumétricos de transferencia de oxígeno (KLa) fueron estimados por el método de coeficiente de rendimiento. Los valores de KLa se incrementaron de 142.5 a 458.3 h-1, y de 136.1 a 473.3 h-1, para corridas de 20 y 50 L respectivamente, cuando la velocidad de agitación se incrementó de 150 a 500 rpm en las fermentaciones de aire burbujeado. Se encontró que los coeficientes de transferencia de oxígeno en las fermentaciones MBD eran independientes de la velocidad de agitación a aproximadamente 480 h-1 para corridas de 20 L, y 340 h-1 para corridas de 50 L. Las velocidades de crecimiento para MBD a 150 rpm fueron esencialmente equivalentes con las fermentaciones de aire burbujeado a 500 rpm. El consumo de potencia total por unidad de volumen de caldo de cultivo para la fermentación MBD a 150 rpm fue 68% menor que las fermentaciones de 20 L de aire burbujeado a 500 rpm, y 55% menor para las fermentaciones de 50 L.

La cromatografía en contracorriente está ahora considerada como una forma posible de lograr un escalado desde escala laboratorio a escala de proceso (ton/año). Un consorcio de la industria y el gobierno británico ha demostrado que este escalado es posible. Este artículo describe como el proceso trabaja y demuestra escalamiento lineal al comparar serpentines de escala laboratorio y escala proceso de la misma longitud. Se muestra que son posibles las separaciones rápidas a escala laboratorio y escala proceso.

En el artículo se describe la aplicación de la calorimetría de reacción y el modelamiento de proceso que permiten un escalado rápido y seguro de una reacción de formilación Vilsmeier a escala planta piloto. Esta transformación es un paso clave en la preparación del ligador de amida principal (el llamado BAL andel) para química de fase sólida. En particular, se empleó el equipo Auto-MATE de The HEL Group y el software Reaction Simulator para derivar un modelo termocinético, el cual permite simular los datos de flujo de calor a escala.

Los riesgos de escalado son especialmente prevalecientes en aquellas áreas de industria de procesos químicos, tales como muchas operaciones farmacéuticas y de químicos especiales, donde la química subyacente es altamente compleja. En tales casos, el corazón de la secuencia de producción es típicamente una reacción batch que ha sido escalada más o menos directamente de un recipiente a escala banco o planta piloto. A menudo, los reactivos o productos son tóxicos; en algunos casos, inflamables.

Se ensayaron a escala piloto tres métodos distintos de mezcla del biosilicato de calcio modificado y suero para la interacción entre all-trans retinal y la β-lactoglobulina. Los tres métodos empleados fueron: (i) una columna empacada con biosilicato de calcio, (ii) un tanque agitado, (iii) una columna de lecho fluidizado de partículas de biosilicato de calcio. Se llevo a cabo la adsorción y deserción de β-lactoglobulina a un pH de 5.1 y 7.0 usando soluciones amortiguadoras (buffer) de fosfato de 0.01 y 0.1 M, respectivamente.El buffer de fosfato que contenía β-lactoglobulina desorbida fue concentrado 20 veces, usando ultrafiltración, y luego liofilización. La columna empacada, el tanque agitado y la columna de lecho fluidizado produjeron β-lactoglobulina con una pureza de 80, >95, y >95, y una recuperación de 0.65, 2.88 y 2.88 g por kg de biosilicato de calcio, respectivamente.

El hidrógeno renovable puede ser producido en el corto plazo a un costo competitivo con reformado de gas natural al integrar la producción de hidrógeno con la utilización industrial existente de residuos agrícolas. Un equipo de gobierno, industria y organizaciones académicas de los Estados Unidos están desarrollando un proceso de reformado de vapor para aplicarlo sobre los subproductos gaseosos de un proceso para obtener carbón activado de cáscaras de cacahuate densificadas. La instalación termoquímica del usuario (Thermochemical User?s Facility, TCUF) en el NREL fue el sitio para la puesta en prueba (shakedown) del reactor escalado.Este documento reporta el diseño, montaje y puesta en marcha de un reactor escalado de reformado de vapor catalítico y las pruebas iniciales para la conversión de vapores de la pirólisis de biomasa en hidrógeno.

Este artículo presenta casos de estudio que muestran como el control de computador que involucra síntesis paralela en reactores diseñados especialmente, particularmente sobre la escala 25-100 mL, puede proporcionar beneficios significativos al ciclo de desarrollo de nuevos compuestos sintéticos de interés comercial. Se discute la aplicación del control de computador sobre una variedad de procesos, particularmente la combinación de automatización con paquetes de diseño estadístico para optimización de procesos. Al emplear una combinación de datos de calorimetría y otras medidas analíticas, ha sido demostrado que la experimentación a pequeña escala puede producir datos que sean representativos y escalables.

Se desarrolló un método para correlacionar los tamaños de partícula experimentales desde los reactores de 300 mL y 200 L contra las velocidades de disipación turbulenta obtenidas de las simulaciones.Se ha empleado un modelo CFD (Computational Fluid Dynamics, Dinámica de fluidos Computacional) para escalar un reactor de producción de perlas de resina. Una etapa crítica en la manufactura de este producto involucra una dispersión líquido-líquido de una fase orgánica dentro de un sistema acuoso. Se han simulado el flujo de fluido, la distribución de la fase orgánica y las velocidades de disipación turbulenta en tres reactores agitados (300 mL, 200 L y 4 m3).