T eball de Fi de G au
G au en enginye ia química
Disseny d’un bio eac o pe a p odui
àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic
MEMÒRIA
Au o : Ge lac Via Ma inez-Sea a
Di ec o : Jo di Bou
Con oca ò ia: Gene 2017
Escola Tècnica Supe io
d’Enginye ia Indus ial de Ba celona
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 1
Resum
En aques eball s’ha dissenya un bio eac o pe lo s de 350 L pe p odui 350 kg anuals
de l’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic a pa i de 2-me il-1,3-p opandiol mi jançan una
e men ació du a a e me pel bac e i Gluconobac e oxydans. Pe e -ne el disseny s’ha
p es com a guia l’es udi e sob e aques a e men ació pe Sang-Hyun Pyo (1).
S’ha comença amb una In oducció Teò ica que p e én posa -nos en el con ex
d’aques p ojec e. S’inicia amb un p ime apa a que a una desc ipció del pano ama
ac ual de les bio e ine ies. En el següen es a una in oducció dels mic oo ganismes d’ús
indus ial i en pa icula dels que s’usa an en el nos e bio eac o , els Gluconobac e
oxydans. A con inuació es pa la sob e l’es a de l’a de l’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic.
Pe inali za aques a in oducció eò ica s’es udien els ipus de bio eac o s i els mè odes
d’ope ació ípics.
En el següen pun , Ma e ials i Equips, es a una b eu explicació de l’o igen de les
e e ències que es oba an al inal del eball i dels so wa es.
To segui , en l’apa a Resul a s és on es oba à o s allò que é elació amb el disseny
en sí. En aques capí ol hi ha especi icades o es les decisions p eses basades en la
bibliog a ia sob e la emà ica. S’hi oba an ambé o es les ope acions que han calgu pel
disseny.
Així doncs s’ha dissenya un bio eac o pe lo s de 350 L (235L de olum de eball) amb
unes dimensions D=650 mm i H= 980 mm i una p oduc i i a de 6.6 g/L al inal de les 8
ho es que du a la e men ació. S’han usa 4 de lec o s pe e i a la o mació de ò ex a
causa de la o a agi ació (500 pm). Aques a es basa en una doble u bina Rush on de
D= 217 mm impulsada pe un mo o de 3kW. L’ae ació eque i à un mo o de 100 W i es
dona à mi jançan un anell uixado d’igual diàme e que la u bina. Finalmen pe
man eni la empe a u a, al se una e men ació cu a, s’ha usa un aïllan , conc e amen
un de 8 cm de g uix. Aques a espesso ens assegu a à que la empe a u a no baixi de
28ºC du an la e men ació.
Ja pe inali za s’ha e un Es udi econòmic que ha esul a en un cos o al del p ojec e
de 17688,06 € i un Es udi de l’impac e ambien al on es calculen les emissions de CO2,
que han esul a en 11415.6 kg anuals.
En l’apa a O gani zació del p ojec e es po eu e com s’ha plani ica o el eball.
2 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Suma i
RESUM ............................................................................................................................................... 1
SUMARI ............................................................................................................................................. 2
1. PREFACI ................................................................................................................................... 5
1.1. Mo i ació del p ojec e ..................................................................................................................... 5
1.2. Abas del p ojec e ............................................................................................................................ 5
2. OBJECTIUS ............................................................................................................................... 6
2.1. Objec iu gene al .............................................................................................................................. 6
2.2. Objec ius pa icula s ........................................................................................................................ 6
3. INTRODUCCIÓ ........................................................................................................................ 7
3.1. Teo ia 1: Les bio e ine ies, compa a i a amb les e ine ies de pe oli ............................................. 7
3.1.1. De inició del concep e Bio e ine ia ................................................................................................... 7
3.1.2. Biomassa ............................................................................................................................................ 8
3.1.3. Tipus de bio e ine ies ........................................................................................................................ 9
3.1.3.1. Con encionals ......................................................................................................................... 10
3.1.3.2. Whole C op Bio e ina ies (WCBR) .......................................................................................... 10
3.1.3.3. Bio e ine ies Oleoquímiques .................................................................................................. 11
3.1.3.4. Lignocellulosic eeds ock bio e ine ies ................................................................................... 11
3.1.3.5. G een bio e ine ies ................................................................................................................. 12
3.1.3.6. Bio e ine ies ma ines .............................................................................................................. 13
3.1.4. Compa a i a de les bio e ine ies amb la e ine ies pe oquímiques .............................................. 15
3.1.4.1. In e medis base C2 ................................................................................................................. 17
3.1.4.2. In e medis base C3 ................................................................................................................. 17
3.1.4.3. In e medis base C4 ................................................................................................................. 18
3.2. Teo ia 2: Mic oo ganismes i els seus p ocessos e men a ius. Cinè ica del c eixemen mic obià. 19
3.2.1. Mic oo ganismes ............................................................................................................................. 19
3.2.1.1. A queus ................................................................................................................................... 20
3.2.1.2. Bac e is.................................................................................................................................... 20
3.2.1.3. Fongs ....................................................................................................................................... 21
3.2.2. Pe ills associa s amb l’ús indus ial de mic oo ganismes ................................................................ 23
3.2.3. Necessi a s nu i i es dels mic obis ................................................................................................ 24
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 3
3.2.3.1. Abso ció dels nu ien s ........................................................................................................... 25
3.2.4. Gluconobac e oxydans ................................................................................................................... 26
3.2.4.1. E ec es de les condicions en el cul iu ..................................................................................... 27
3.2.5. Cinè ica del c eixemen mic obià .................................................................................................... 28
3.3. Àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic. Es a de l’a i usos indus ials. .................................................. 34
3.3.1. Impo ància de la qui ali a ............................................................................................................. 34
3.3.2. Ob enció de l’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic ............................................................................... 36
3.3.2.1. Mè odes químics .................................................................................................................... 36
3.3.2.2. Mè odes biològics ................................................................................................................... 37
3.3.3. Ús indus ial de l’àcid β-hid oxi-isobu í ic ....................................................................................... 39
3.3.4. Àcid me ac ílic i me ac ila de me il. ............................................................................................... 42
3.3.4.1. P océs d’ob enció ................................................................................................................... 42
3.3.4.2. Reaccions ................................................................................................................................ 43
3.4. Fe men ado s i bio eac o s ........................................................................................................... 44
3.4.1. E ec es dels pa àme es químics i ísics ........................................................................................... 45
3.4.1.1. Tempe a u a ........................................................................................................................... 45
3.4.1.2. pH ............................................................................................................................................ 46
3.4.1.3. Disponibili a d’oxigen ............................................................................................................ 46
3.4.1.4. Espuma .................................................................................................................................... 47
3.4.2. Con ol dels pa àme es químics i ísics .......................................................................................... 47
3.4.2.1. Agi ació ................................................................................................................................... 47
3.4.2.2. T ans e ència de calo ............................................................................................................ 48
3.4.2.3. T ans e ència de massa .......................................................................................................... 49
3.4.2.4. Addició de subs àncies. pH i espuma ..................................................................................... 51
3.4.3. Mè odes d’ope ació i ipus de e men ado s .................................................................................. 52
3.4.3.1. P océs con inu ........................................................................................................................ 53
3.4.3.2. P océs discon inu (ba ch) ....................................................................................................... 54
3.4.3.3. P océs ed-ba ch ..................................................................................................................... 54
3.4.4. Es e ili zació ..................................................................................................................................... 55
4. MATERIALS I EQUIPS ....................................................................................................... 57
5. RESULTATS .......................................................................................................................... 58
5.1. Condicions de la e men ació......................................................................................................... 59
5.1.1. Subminis amen d’oxigen ............................................................................................................... 59
5.1.2. Tempe a u a .................................................................................................................................... 61
5.1.3. pH ..................................................................................................................................................... 62
5.1.4. Espuma ............................................................................................................................................. 63
5.1.5. Agi ació ............................................................................................................................................. 63
5.1.6. Cul iu i man enimen del mic oo ganisme ...................................................................................... 64
4 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
5.2. Disseny de la e men ació .............................................................................................................. 64
5.2.1. Du ació dels cicles i p oduc i i a .................................................................................................... 64
5.2.1. Disseny del e men ado pels mic oo ganismes ............................................................................. 66
5.2.2. Volum de eball i olum del e men ado ...................................................................................... 68
5.2.3. Pa àme es de o ma del e men ado ........................................................................................... 69
5.2.4. De e minació de la geome ia del ecipien .................................................................................... 70
5.2.5. De lec o s ......................................................................................................................................... 71
5.2.6. Agi ado i mo o ............................................................................................................................... 72
5.2.7. Ae ació ............................................................................................................................................. 75
5.2.8. Disseny de l’aïllan ........................................................................................................................... 76
5.2.9. Vàl ules i po s ................................................................................................................................. 77
5.2.9.1. Tapa ......................................................................................................................................... 77
5.2.9.2. So ides ................................................................................................................................... 78
5.2.9.3. Vàl ules ................................................................................................................................... 80
5.3. Disseny en Solidwo ks® ................................................................................................................. 80
5.4. Plànols del Disseny ........................................................................................................................ 85
5.5. Pla d’ope acions i segu e a ........................................................................................................... 89
6. ESTUDI ECONÒMIC ........................................................................................................... 92
7. ESTUDI DE L’IMPACTE AMBIENTAL ........................................................................... 93
8. ORGANITZACIÓ DEL PROJECTE ................................................................................... 95
CONCLUSIONS ............................................................................................................................. 96
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................ 97

Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 5
1. P e aci
1.1. Mo i ació del p ojec e
En e els objec ius de la Química i d’aco d a les endències de espec e pel medi ambien ,
hi ha la ab icació de p oduc es de g an consum pels mi jans més e icien s i ne s
possibles. Pe això da e amen s’han p oposa mol s p ocessos biològics pe a ob eni
p oduc es que abans e en de i a s dels pe oli, indús ia al amen con aminan i
esponsable d’un g an impac e ambien al nega iu. Pe aques a aó la ece ca de
p ocessos biològics amb uns endimen s semblan s als que s’ob ind ia pels camins ípics
i amb un impac e ambien al mol meno és de g an impo ància.
Ac ualmen l’àcid me ac ílic i el me ac ila de me il s’ob enen pe l’anomenada ia ACH, a
pa i de la cianhid ina de l’ace ona. Aques a u a, o i se la més u ili zada pels bons
endimen s que dóna, usa p ime es ma è ies mol con aminan s, é uns cos os de p océs
mol al s i p odueix g an quan i a de subp oduc es. Així doncs oba una o ma
al e na i a pe p odui aques s monòme s és d’impo ància cabdal.
El p oduc e que es ol ob eni , l’àcid 2-me il-3-hid òxidp opanoic, és una subs ància
qui al. Sec o s com el a macèu ic han augmen a la se a demanda de subs àncies
enan iomè icamen pu es, i l’ús d’in e medis qui als és de les millo s o mes d’ob eni -les.
1.2. Abas del p ojec e
Així doncs en aques p ojec e es ol oba una o ma de p odui a escala pilo una
subs ància que de ben segu ind à g an impo ància pels sec o s menciona s: el
a macèu ic i el dels plàs ics. I aconsegui així una al e na i a als p ocessos ac uals, mol
pe judicials pel medi ambien .
El que p oposa em aquí és un disseny d’un e men ado a escala pilo mi jançan uns
mic oo ganismes que ja enen ce a p esència en la indús ia, els Gluconobac e
oxydans, i que enen la ca ac e ís ica de ca ali za la oxidació incomple a de alcohols i
suc es a els co esponen s aldehids, ce ones i àcids ca boxílics. A més a més és un
o ganisme no pa ogen quali ica com a no pe illós pe a humans ni animals.
Aques a és una emà ica poc es udiada pe ò que ha p es ce a impo ància da e amen ,
la majo ia dels es udis elaciona s amb aques a e men ació da en dels úl ims 20 anys.
6 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
2. Objec ius
2.1. Objec iu gene al
L’objec iu p incipal d’aques eball se à dissenya un e men ado a escala pilo pe a
p odui 350 kg anuals d’àcid 2-me il-3hid oxip opanoic a pa i de Gluconobac e s
oxydans. I mos a les compe ències adqui ides al lla g del g au d’Enginye ia Química pe
de e mina o es les condicions ope a i es així com e -ne el disseny en 3D i els plànols
mi jançan un so wa e pe inen .
2.2. Objec ius pa icula s
Pe al d’assoli l’objec iu p incipal s’ani an assolin una sè ie d’objec ius meno s que
desencadena an en el disseny del e men ado , aques s són:
i. Escolli un bac e i adequa pe a la p oducció de l’àcid a pa i de la bibliog a ia
disponible.
ii. Es udia la cinè ica de c eixemen i p oducció de l’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic.
iii. Selecciona el ipus de e men ado i el mè ode d’ope ació idoni pels nos es
in e essos.
i . De e mina la geome ia del e men ado .
. Selecciona les condicions d’ope ació pe inen s en un es udi de la bibliog a ia
disponible sob e la emà ica.
i. P esen a un disseny o iginal del e men ado que inclogui les eleccions p eses
an e io men .
ii. P oposa un pla d’ope acions.
iii. Fe un es udi econòmic i un es udi de l’impac e ambien al.
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 7
3. In oducció
3.1. Teo ia 1: Les bio e ine ies, compa a i a amb les
e ine ies de pe oli
Cada egada més es an passes cap a un desen olupamen d’una economia més
biològica eemplaçan així els ma e ials òssils en els p ocessos indus ials. Així com pe
la p oducció d’ene gia hi ha a ies al e na i es (eòlica, sola , nuclea , hid àulica..), pe a la
p oducció sos enible de p oduc es come ciali zables com al e na i a a la basada en
p ime es ma è ies òssils no n’hi ha an es. L’esgo amen d’aques ma e ials òssils,
l’ex ema ola ili a dels p eus i la demanda luc uan an que siguin necessa is sis emes
més obus os pe al de guanya en compe i i i a a lla g e mini (2).
Aques can i en la economia implica l’ús de les anomenades bio e ine ies. Pe ò què és
una bio e ine ia?
3.1.1. De inició del concep e Bio e ine ia
Bio e ina és el que s’en én com p ocessamen sos enible de biomassa cap a di e en s
p oduc es come ciali zables i d’ene gia. Això ol di que po se un p océs, una ins al·lació
o bé una plan a de p ocessamen .
Un dels ac o s de més impo ància en l’es ablimen d’un bio e ine ia és la se a
sos enibili a al lla g de o el seu cicle de ida (cons ucció, ope ació i desman ellamen ).
Així doncs s’hau an de eni en comp e di e en s ac o s: la disponibili a d’alimen ació i de
biomassa, l’impac e en l’ús de l’aigua i la se a quali a o els iscos oxicològics i l’impac e
en la biodi e si a , en e d’al es. Com que l’a aluació de la se a sos enibili a no es po
e en e mes absolu s, s’acos uma a e una compa a i a amb els sis emes
con encionals pe a la p oducció dels ma eixos p oduc es i se eis, pe exemple
compa an un p oduc e e a pa i de ma è ies òssils amb un e a pa i de p ocessos
biològics.
No és un concep e comple amen nou. Hi ha mol s exemples de p ocessos adicionals
de con e sió de biomassa que pod ien se quasi conside a s com a p opis d’una
bio e ine ia. La u ili zació de la canya de suc e da a des de el 6000 aC. a l’Àsia i la
impo ació d’aques a es a es abli des de el s. XV. En aques camp A.S. Ma gg a ,
8 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
cien í ic alemany, a publica el 1748 els seus es udis sob e l’ob enció de suc e a pa i
d’a els i emola xa. To i així no és ins els anys 90 que la u ili zació de ecu sos
eno ables pe a la p oducció de p oduc es no alimen a is omen a la ece ca i el
desen olupamen , amb un c eixemen de l’a enció p o essada pe la l’indus ia i la polí ica
del momen . És en aques momen quan apa eix el e me “bio e ine ia”. Aques ipus de
e ina ia combina les ecnologies essencials pe a ans o ma les p ime es ma è ies
biològiques en p oduc es in e medis i inals (Il·lus ació 1).
Il·lus ació 1: P incipis bàsics d’una bio e ine ia (3)
3.1.2. Biomassa
Les bio e ine ies u ili zen com a combus ible la biomassa. Aques a po eni mol s o ígens
depenen de aons als com la disponibili a , la locali zació o el p eu. Po eni una
p ocedència o es al, eni de l’ag icul u a, de esidus u bans i indus ials o d’al es.
Ac ualmen s’u ili zen 6·109 ones de les anualmen p oduïdes, 1.7-2.0·1011 ones.
D’aques es sols del 3 al 3.5% se eixen pe aplicacions o a de l’alimen ació
Hi ha mol es de inicions pe el e me biomassa, pe exemple:
 To a la ma è ia o gànica i a p esen en el nos e ecosis ema.
 To a la ma è ia ege al cons an men p oduïda pe o osín esis amb un o al anual
de 170 billons de ones (excloen les plan es ma ines).
 La massa cel·lula de plan es animals i mic oo ganismes usa s com a ma è ies
p ime es en p ocessos mic obiològics
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 15
3.1.4. Compa a i a de les bio e ine ies amb la e ine ies
pe oquímiques
Ac ualmen g àcies als p oduc es amb base biològica s’a iben a gene a en e 10 i 15
bilions de dolla s ame icans dins de la indús ia química global (2). Cada egada més
aques s p oduc es guanyen en impo ància en on dels ma eixos ob ingu s pe la ia
òssil. A iba al pun que o icialmen es an desc i s pel depa amen d’ene gia dels Es a
Uni s els que ells conside en com els p oduc es bàsics que han de se els onamen s de
la indús ia bioquímica ac ual i u u a, anomena s pe la se a p ime a publicació del 2004
“ he DOE “ op 10” epo ” (9).
Taula 2: Llis a e isada el 2010 del "DOE " op 10" epo " amb els c i e is con ingu s en el ma eix (9)
A la aula 3 es poden eu e algunes de les simili uds i di e ències en e les e ine ies de
pe oli i les bio e ine ies: l’alimen ació, els in e medis base, molècules a pa i de les quals
es sin e i zen la g an majo ia de p oduc es; les ecnologies emp ades i els p oduc es que
es p odueixen en cada ipus de e ine ia.

16 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Taula 3: Di e ències gene als en e una e ine ia òssil i una bio e ine ia (2)
La p incipal di e ència en e la biomassa i les p ime es ma è ies òssils és el con ingu en
oxigen. Així doncs les composicions CHO se ien: 85-90% de C, 10-14% de H i en e 0-
1,5% de O pel pe oli; 76% de C, 13% de H i 11% de O pe olis ege als i g asses
animals; i 50% de C, un 6% de H i ina a un 43% de O en el cas d’una biomassa
lignocel·lulòsica.
To i això enca a és a ac iu en el pano ama ac ual in en a in eg a el que es pugui les
e ine ies òssils amb les no es bio e ine ies. Un exemple de la iabili a d’aques a
in e acció la obem en el “g een biodièsel”, p oduï amplamen a pa i de la hid ogenació
ca alí ica d’olis ege als o g assa animal u ili zan hid ogen disponible en les ma eixes
e ine ies (Pe oba as H-bio p ocess o UOP/ENI p ocess en són exemples).
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 17
In e medis base, com a a els olis p o inen s de la biomassa o el syngas, són alguns dels
exemples d’aques a in eg ació. En aques dos casos es po e el pos e io p ocessamen
cap a ecu sos més aluosos en ins al·lacions pe oquímiques (p ocessos de c aqueig,
hid o ac amen s, gasi icacions, e c.).
A més, les bio e ine ies són cada egada més una on al e na i a de ecu sos, com a a
en el cas d’in e medis base C2, C3 o C4; ins la se a apa ició només p oduïbles a pa i
de ecu sos òssils com són el ca bó, el pe oli i al gas na u al.
3.1.4.1. In e medis base C2
Com a on de nu ien s, en la bio ecnologia s’acos uma a u ili za la glucosa. Aques a
úl ima a pa i d’una e men ació alcohòlica es desin eg a ob enin -se com a p oduc e inal
p incipal e anol, in e medi base C2. Aques bioe anol po se usa com a combus ible o
bé deshid a a -se amb un ca ali zado (Al2O3MgO o zeoli a) po an a l’e ilè. Aques e ilè
és una on al e na i a de la que s’ob é en la pi òlisis, on s’aplica apo d’aigua i al es
empe a u es a les accions lleuge es del pe oli (GLP, na a i gasoil).
3.1.4.2. In e medis base C3
L’ob enció d’aques s in e medis es po e mi jançan p ocessos químics o bioquímics a
pa i de biomassa:
 En la p oducció de combus ible pe au omòbils a pa i olis ege als i g asses
animals ambé es o ma p opà com a cop oduc e.
 Un al e camí pe ob eni biop opilè i biop opà passa pe la deshid a ació i
hid ogenació del glice ol, ob ingu pe e men ació de la biomassa o en la
p oducció de biodièsel com a subp oduc e.
 També és possible la gasi icació de la biomassa pe a p odui syngas seguida de
la sin e i zació de biome anol, i inalmen algun p océs de me anol cap a ole ines
(pe exemple Fische T opsch) de ca a a ob eni biop opilè.
 A pa i de la e men ació de suc es pe a p odui bioe anol, deshid a an aques a
bioe ilè, dime i zació pe a ob eni bu ens, i eacció de me às asis amb bioe ilè pe
a p odui p opilè.
Així doncs hi ha mol es mane es al e na i es d’ob eni p opilè, un dels in e medis químics
de més demanda, a pa i de on s eno ables. El p opilè é un pape c ucial en la
p oducció de p oduc es químics de es à oms de ca boni i é un pape com a in e medi
18 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
en l’ob enció de p oduc es mol di e sos: explosius, cosmè ics, políme s, dissol en s,
esines, e c.
Il·lus ació 7: Camins de sín esis a pa i de la biomassa pe a ob eni biop opilè (2)
Un al e p oduc e químic base de es ca bonis és l’àcid làc ic. És sin e izable pe dos
camins: e men ació de ca bohid a s o con e sió química a pa i del glice ol. Aques àcid
ens po a a l’àcid ac ílic mi jançan una deshid a ació, po ésse eduï a 1,2-p opandiol o
po usa -se ambé com a p ecu so del PLA (polylac ic acid).
3.1.4.3. In e medis base C4
Aques s in e medis són accessibles a pa i de esidus de bla de mo o o canya de suc e
com a p ime a ma è ia. Fe men acions anae òbiques amb bac e is com el Clos idium
ace obu ylicum o el Clos idium beije incki s’usen pe a p odui ace ona i bu anol o
ace ona, bu anol i e anol (ABE, e men ació ace o-bu ílica-e ílica) (10). Aques úl im és un
p océs que ha ia en a en desús degu a la o ma més econòmica de p odui aques es
ma eixes subs àncies a pa i de p ime es ma è ies òssils, pe ò l’enca imen del pe oli i
el pensamen ecologis a ha e despe a -ne de nou l’in e ès.
Úl imamen s’han idea ècniques de e men ació mic obiològica amb Esche ichia coli
al e a genè icamen pe a p odui alcohols de 4 o més ca bonis a pa i de la glucosa, pe
exemple 1-bu anol, 2-me il-1-bu anol i pa icula men isobu anol. Amb una deshid a ació
ca alí ica pos e io del isobu anol es p odueix una ba eja de ole ines C4 (1-bu è, cis-2-
bu è, ans-2-bu è i isobu è) (2).
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 19
3.2. Teo ia 2: Mic oo ganismes i els seus p ocessos
e men a ius. Cinè ica del c eixemen mic obià.
Els p ime s usos de mic oo ganismes pe a la p oducció de p oduc es d’in e ès da en de
emps an ics. Exemples d’aques a a i mació els obem en l’ús de lle a s pe p odui pa i
en la e men ació del i o de la ce esa. Ce amen la comp ensió dels mecanismes
mi jançan els quals es p odueixen aques s enòmens és més ecen , pe ò l’ús d’aques es
ècniques pe p ese a alimen s o pe p odui -ne de nous es desen olupa des de
l’an igui a .
A pa del menja , ambé s’ha e ús dels mic oo ganismes pe a ab ica p oduc es
químics i a macèu ics. En la Segona Gue a Mundial, degu a la necessi a d’u ili za el
pe oli i al es ma è ies p ime es pe a ins bèl·lics, mol s p oduc es com a a la ace ona, el
glice ol o l’e anol e en p oduï s mi jançan e men acions mic obiològiques. Més a d, un
cop acaba el con lic e i el p eu del pe oli baixà, aques es me odologies pe de en
elle ància en on de mè odes pe oquímics.
En els úl ims anys països eme gen s com a a la Xina o l’Índia han inc emen a la se a
demanda de pe oli i de i a s, això suma al e de que el pe oli és una on no eno able i
que s’es à esgo an ha e plan eja -se de nou mè odes e men a ius pe a l’ob enció de
p oduc es que abans s’ob enien a pa i de ma è ies p ime es òssils. Tampoc s’ha de
menys eni l’e ec e que é la combus ió de uels en el can i climà ic com a on d’emissió
de diòxid de ca boni.
3.2.1. Mic oo ganismes
Químicamen són semblan s a la majo ia de cèl·lules ege als i animals i desen olupen
mol es de les ma eixes eaccions. En gene al els mic oo ganismes són unicel·lula s i
eque eixen menys nu ien s que al es o mes de ida més complexes.
La cèl·lula és la uni bàsica de o o ganisme iu i es di ideixen en dos g ups, p oca io es i
euca io es:
 P oca io es: Comp èn els a queobac e is i bac e is. Són cèl·lules de menys de
5𝜇m de diàme e amb algunes excepcions. No enen nucli cel·lula i el seu
ma e ial genè ic es oba dispe s en el ci oplasma, euni en una zona
20 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
anomenada nucleoide.
 Euca io es: Comp èn ongs, p o ozous, algues i al es cèl·lules de plan es i
animals. Acos umen a se més g ans que les p oca io es i sí que enen un nucli
cel·lula di e encia .
Il·lus ació 8: Rep esen ació de a) una cèl·lula p oca iò ica i b) una cèl·lula euca iò ica (4)
To segui es a à una pe i a e e ència als g ups de mic oo ganismes que enen un ce
in e ès indus ial.
3.2.1.1. A queus
Els a queus són bas an di e en s dels bac e is i enen ce es ca ac e ís iques que els an
més semblan s a les cèl·lules euca iò iques. Mol s iuen en condicions ex emes i se’ls
anomena ex emò ils. Hi ha es ipus isiològics bàsics: halò ils (adap a s a al es
concen acions de sal), me anògens (p odueixen me à) i e mò ils (adap a s a al es
empe a u es), i alguns d’aques s ambé són esis en s a al es p essions. Són d’in e ès
dos ipus més d’ex emò ils: els acidò ils ( esis en s a condicions àcides) i els alcalí ils
( esis en s a condicions bàsiques) (11).
Hi ha pocs a queus que s’u ili zin en la indús ia, o i que cada egada més es an p enen
impo ància. Sob e o en el cas del a queus ex emò ils, que poden se una on d’enzims
que uncionen en aques es condicions se e es. Pe al a banda els me anògens són una
pa i al del ac amen de esidus, són un dels mic oo ganismes que duen a e me la
diges ió anae òbica i p odueixen biogàs.
3.2.1.2. Bac e is
També anomena s eubac e is són un g up mol a ia di idi en 12 subg ups. To i això les
indus ialmen elle an s es an con ingudes en només 2: els p o obac e is, o ma s pe

Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 21
bac è ies g amnega i es; i els bac e is g amposi ius. Solen mesu a uns quan s
mic òme es de lla gada i poden p esen a di e ses geome ies. El nom p o é del g ec
bak ē ion (“pe i bas ó”). Són p esen s en o ipus d’hàbi a s.
En des aca la capaci a de deg ada de e minada ma è ia o gànica, pe aques a aó s’ha
u ili za mol en el p ocessamen de esidus o en la bio emediació, que es basa en la
u ili zació d’agen s biològics en medis con amina s. Hi ha alguns ipus de bac e is
capaços de dige i hid oca bu s del pe oli, amb les possibili a s que compo a.
Un al e ús impo an és en l’ob enció de p oduc es químics enan iomè icamen pu s, com
pe exemple la p oducció bioca alí ica del 4-clo o-3hid oxibu anoa (CHBE) un in e medi
bàsic pe a la p oducció de p oduc es a macèu ics (12).
També en con ol bac e iològic de plagues s’u ili zen bac e is en comp es de pes icides,
cas del bac e i Bacillus hu ingiensis, un bac e i g amposi iu que iu al sòl i que gene a
una p o oxina que al se consumida i dige ida pe l’insec e és quan a e ec e el p incipi
ac iu, a més són selec i es a ec an de mane a especí ica a un de e mina g up d’insec es
(13).
Un al e ús cla , que és el que ens ocupa en aques eball, és la se a pa icipació ac i a
en el uncionamen dels e men ado s.
3.2.1.3. Fongs
Els ongs són un g up de mic oo ganismes euca io es que ocupen di e en s habi a s. La
majo ia d’espècies c eixen en o ma de ilamen s mul icel·lula s anomena s hi es, els
quals coneixem com lo idu es. Els lle a s en can i, ambé del egne ungi, són
o ganismes unicel·lula s. Hi ha mile s d’espècies conegudes de ongs ilamen osos, pe ò
en són poques en compa ació les que s’usen en la indus ia.
Un cas de ong que eque eix especial a enció són els lle a s, essen impo an la se a
con ibució com a mic oo ganisme d’ús indus ial. En la ab icació de ce esa, de i o de
pa es an se i lle a s, conc e amen s’usa el Saccha omyces ce e isiae, un dels lle a s
his ò icamen més u ili za . Aques ma eix lle a a ui en dia ambé s’u ili za en mol es
al es e men acions, com a a en la p oducció d’e anol com a combus ible o de insulina
pe ús humà, en e d’al es (11).
22 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Il·lus ació 9: Dos exemples de l'ús de ongs al lla g de la his ò ia, a) el pa amb lo idu es s'u ili zà en di e ses
cul u es com a on d'an ibiò ics, i b) el lle a S. ce e isiae s'usa en mol es e men acions ac ualmen . (4)
També se eixen pe a la bio emediació, en aques cas s’usa el e me mico emediació,
en el qual s’usen ongs pe e eni agen s con aminan s p esen s en el medi.
Mol es especies p odueixen subs àncies que són u ili zades en medicamen s: la
penicil·lina, an ibiò ic que s’usa en el ac amen de malal ies in eccioses p o ocades pe
alguns bac e is sensibles a ella; la ciclospo ina, un à mac immunosup esso que s’usa
pe e i a un possible ebuig en ansplan amen s d’ò gans, inicialmen aïlla del
ong Tolypocladium in la um (14); l’àcid usídic, de i a del ong Fusidium coccineum i
que s’ha usa com an ibiò ic con a el bac e i S aphylococcus au eus, esis en a la
penicil·lina i la me icil·lina (15).
En la aula 4 s’obse en a queus, ongs i bac e is que enen ús indus ial.
Taula 4: Mic obis amb ús indus ial (11)
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 23
3.2.2. Pe ills associa s amb l’ús indus ial de mic oo ganismes
S’ha de eni en comp e a l’ho a de dissenya qualse ol nou p océs que abans de que
comenci a ope a s’hau à de passa una alo ació dels iscs associa s a la p àc ica
d’aques . Sob e o en casos en els quals s’u ili zin GMMs (genne ically modi ied
mic oo ganisms), que eque i an un anàlisis pa icula pe a cada cas. En cas que es
acin se i mic obis conegu s alesho es n’hi hau à p ou en classi ica -los segons el isc
que inguin i ac ua conseqüen men . La Wo ld Heal h O ganiza ion di ideix el pe ill
po encial dels mic oo ganismes en 4 g ups, essen el p ime e e en a aquells que no és
p obable que causin cap malal ia a pe sones o animals ( aula 5). (11)
En casos que sigui eque i i depenen de la pe illosi a del mic obi usa s’usen di e en s
ni ells de ba e es i con enimen . El ni ell 1 p o egeix el pe sonal i les ins al·lacions
immedia es de qualse ol ui a, el ni ell 2 in oluc a l’ús de es imen a especiali zada,
supe isions mèdiques pe iòdiques i acunació del pe sonal. Amplian el ni ell 2 es po
a iba a plan eja un disseny especí ic de les ins al·lacions des inades a albe ga
de e mina s pa ògens d’al a pe illosi a : ús de p essions nega i es, il es d’al a e icàcia,
p o ocols a segui , e c.
En casos de mic oo ganismes de ni ell de pe illosi a 1 només cald à segui bones
p àc iques pe g ans sis emes (GILSP: good indus ial la ge-scale p ac ises).
Taula 5: Classi icació de la Wo ld Heal h O ganiza ion dels mic oo ganismes en base el pe ill que ep esen en
(16)
24 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
3.2.3. Necessi a s nu i i es dels mic obis
Els mic oo ganismes que s’u ili zen en les e men acions i en aplicacions indus ials en
gene al enen unes ce es necessi a s nu i i es, un g apa de nu ien s di e en s segons
el mic oo ganisme que són necessa is pe al de c éixe , ep odui -se i man eni -se iu.
Es po eu e en la aula 5 un esum de les p incipals on s d’ene gia, elec ons/hid ogen i
ca boni u ili za s pe cada o ganisme.
Com a on d’ene gia, els mic obis poden classi ica -se en quimiò o s, si ob enen
ene gia de l’oxidació de compos os o gànics o ino gànics, al allibe a -se l’ene gia d’enllaç;
o en o ò o s, si l’ene gia s’ob é en o ma lluminosa.
L’ob enció d’hid ogen i d’elec ons po p o eni de dues on s di e en s, els o ganò o s
n’ob enen de compos os o gànics i els li ò o s de compos os ino gànics.
Taula 6: classi icació nu icional bàsica dels mic oo ganismes (11)
Una e ce a classi icació a e e ència al ca boni, els o ganismes au ò o s usen com a
on p imà ia o única CO2 men e que els he e ò o s poden u ili za di e en s compos os
o gànics com a on del ma eix: hid oca bu s, lípids, àcids o gànics i polisacà ids.
Gene almen quan s’ope a a ni ell indus ial s’usen e men acions he e o ò iques en lloc
de au o ò iques, alesho es són eque ides al es concen acions de les on s de ca boni,
de 10-20 g/L o més. Com a on de ca boni i d’ene gia gene almen el que s’u ili zen són
suc es, sob e o glucosa.
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 31
Teò icamen se ia una g à ica d’aques es il:
Il·lus ació 15: Inhibició (be a<1) i ac i ació (be a>1) causades pel subs a (26)
Així doncs degu a que sembla que sí que es dóna aques ipus de inhibició, es pe inen
desc iu e’n la cinè ica.
Un model cinè ic ap e pe a desc iu e el mecanisme és el següen , de i a d’un p oposa
pe Haldane el 1930, i u ili za pe Boon Laudelou (26):
𝜇= 𝜇𝑚𝑎𝑥·𝑆
(𝐾𝑠+𝑆)·(1+𝑆𝐾𝑖)
⁄ Eq. 5
On el segon e me del denominado ep esen a la inhibició. L’elecció del model es a
seguin les indicacions de Edwa ds, que en un anàlisi de di e en s mecanismes pe a
casos on es donés inhibició del subs a de e minà que és el model que desc iu millo
aques enomen. To i que al es models ambé són àlids aques és el més àcil de
manipula (26). Al es models àlids són:
𝜇= 𝜇𝑚𝑎𝑥·𝑆
𝐾𝑠+𝑆+(𝑆2
𝐾𝑖)·(1+𝑆𝐾)
𝜇=𝜇𝑚𝑎𝑥·𝑆·exp (−𝑆
𝐾𝑖)
𝐾𝑠+𝑆
𝜇=𝜇𝑚𝑎𝑥·exp(−𝑆
𝐾𝑖)−exp(−𝑆
𝐾𝑠)
Models o igina is o de i a s de Yano, Aiba i Tessie , espec i amen .

32 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Pa lan a a del model escolli pe Edwa ds (Eq. 5), el passem a eloci a :
𝑑𝑋
𝑑𝑡=−𝑟𝑠𝑢𝑏=μmax·S·X
(Ks+S)·(1+SKi)
⁄ Eq. 6
De ca a a esold e aques a equació, s’assumeix que la desapa ició del subs a és
di ec amen p opo cional a l’apa ició de no es cèl·lules:
−𝑑𝑆
𝑑𝑡=1𝑌𝑑𝑋
𝑑𝑡 Eq. 7
In eg an aques a equació amb unes condicions inicials (X0,S0) i assumin Y cons an :
𝑆=𝑆0−(𝑋−𝑋0)/𝑌 Eq. 8
Aïllan la X de l’equació 8, subs i uin -la en l’equació 6 i en el pe inen can i en el
di e encial enim la següen exp essió que es po in eg a de ca a a eni una exp essió
més cla a amb la que eballa .
𝜇𝑚𝑎𝑥∫𝑑𝑡=−∫(Ks+S)·(1+S
𝐾𝑖)
𝑆·(𝑋0
𝑌+𝑆0−𝑆) 𝑑𝑆 Eq. 9
Que desp és d’in eg a -la amb condicions inicials ( 0, S0):
𝜇𝑚𝑎𝑥·(𝑡−𝑡0)=[𝐾𝑠
𝑆0
1+𝑋0
𝑌·𝑆0]·𝑙𝑛[1+𝑋0
𝑌·𝑆0−𝑆
𝑆0
(𝑆
𝑆0)·(𝑋0
𝑌·𝑆0)]+[𝐾𝑠+𝑆0+𝑋0
𝑌
𝐾𝑖+1]·
𝑙𝑛[1+𝑋0
𝑌·𝑆0−𝑆
𝑆0
𝑋0
𝑌·𝑆0]+[𝑆−𝑆0
𝐾𝑖] Eq.10
Aques a equació és ú il pe a anali za sis emes de c eixemen mic obià amb e ec es
d’inhibició del subs a . Fen ús d’aques a equació podem p edi els alo s de la
concen ació del subs a en el emps, doncs enca a que l’exp essió es eixuga s’ha
d’obse a que 0, S0, X0, Ks, Ki i Y són pa àme es dels quals se’n po conèixe el alo ,
essen ela i amen senzill pe mi jà de mè odes numè ics de e mina el alo de S pe un
de e mina emps.
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 33
Seguin passos semblan s als segui s pe a iba a l’equació 8 es po a iba a exp essa
la c eació de p oduc e en unció del subs a quedan de la següen o ma:
𝑃=𝑃0+ 𝑌𝑃𝑆
⁄·(𝑆0−𝑆) Eq. 11
Poden simpli ica P0=0, ja que en gene al no hi hau à p oduc e a l’inici del p océs.
Així doncs, aïllan la concen ació del subs a , S, en unció de la concen ació de
bac è ies, X, en l’equació 8 i la S en unció de la concen ació de p oduc e, P, en la
equació 11 i subs i uin pe cada cas les a iables en la in eg al esol a (Eq. 10), es poden
ob eni exp essions semblan s pe es udia les concen acions de bac e is i de p oduc e:
𝜇𝑚𝑎𝑥·(𝑡−𝑡0)=[𝐾𝑠
𝑆0
1+𝑋0
𝑌·𝑆0]·ln[2𝑋0
𝑌·𝑆0−𝑋
𝑌·𝑆0
(1−𝑋−𝑋0
𝑌·𝑆0)·(𝑋0
𝑌·𝑆0)]+ [𝐾𝑠+𝑆0+𝑋0
𝑌
𝐾𝑖+1]·
ln[2𝑋0
𝑌·𝑆0−𝑋
𝑌·𝑆0
𝑋0
𝑌·𝑆0]+[−(𝑋−𝑋0)
𝑌·𝐾𝑖] Eq. 12
I pel p oduc e:
𝜇𝑚𝑎𝑥·(𝑡−𝑡0)=[𝐾𝑠
𝑆0
1+𝑋0
𝑌·𝑆0]·𝑙𝑛
[
𝑋0
𝑌·𝑆0−𝑃
𝑆0·𝑌𝑃𝑆
⁄
(1− 𝑃
𝑌𝑃𝑆
⁄·𝑆0)·(𝑋0
𝑌·𝑆0)
]
+[𝐾𝑠+𝑆0+𝑋0
𝑌
𝐾𝑖+1]·
𝑙𝑛
[
𝑋0
𝑌·𝑆0−𝑃
𝑆0·𝑌𝑃𝑆
⁄
𝑋0
𝑌·𝑆0
]
+[−𝑃
𝑌𝑃𝑆
⁄·𝐾𝑖] Eq. 13
34 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
3.3. Àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic. Es a de l’a i usos
indus ials.
L’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic o àcid β-hid oxi-isobu í ic (1) (18) és una molècula
o gànica de 4 ca bonis amb dos g ups uncionals; un àcid ca boxílic i un alcohol. Aques
àcid de ó mula molecula C4H6O2 é una ca ac e ís ica que el a mol ú il pe a
de e mina s usos, la qui ali a deguda al ca boni asimè ic.
Il·lus ació 16: L’àcid 3-me il-1,3-hid oxip opanoic o àcid β-hid oxi-isobu í ic.
Aques ipus de compos os químics, els àcids β-hid oxica boxílics, són de g an
impo ància i s’han usa pe la elabo ació de nomb osos p oduc es químics. Així doncs,
aques s compos os òp icamen ac ius han es a u ili za s com a p ecu so s pe la sín esis
de i amines, addi ius alimen a is, an ibiò ics i e omones (27). L’àcid β-hid oxi-isobu í ic
ambé és un impo an in e medi en la deg adació enzimà ica de la alina en els mamí e s
(28).
3.3.1. Impo ància de la qui ali a
Cada egada més es olen p oduc es enan iomè icamen pu s pe a la p oducció de
subs àncies químiques. Tan en medicamen s o en qualse ol subs ància elacionada
amb la salu humana com en subs àncies que comba in plagues i que pod ien causa
p oblemes en els alimen s que desp és s’han de consumi , ens obem amb p oduc es
que con enen com a mínim un cen e qui al.
Hi ha mol es aons pe això, algunes de les quals s’enume en o segui :
i. L’ac i i a biològica po dona -se només en un dels enan iòme s.
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 35
ii. L’ac i i a biològica po ésse mol di e en depenen de l’enan iòme . P odui -ne
només un d’ells pe me sepa a -ne els e ec es. En la aula 6 hi ha alguns
exemples.
Il·lus ació 17: P opie a s di e en s en els enan iòme s. Modi icada de la publicada en Chi al y in Indus y-An
o e iew. (27)
iii. El compos òp icamen pu po a iba a p esen a més de dues egades l’ac i i a
de la mescla acèmica. Això és pe casos en els que hi ha un an agonisme en e
els dos enan iòme s. És el cas d’una e omona sexual p oduïda pe la emella de
l’esca aba japonès, Popilla japonica, que s’ha iden i ica com l’enan iòme R de la
co esponen subs ància. Tan sols una p esència del 1% de l’enan iòme S
edueix mol la espos a dels esca aba s mascles a la e omona. (29)
i . També la egulació de cada país po se una mo i ació pe ob eni compos os
enan iomè icamen pu s. En de e mina s països on la quan i a d’impu eses es à
egulada pe llei és in e essan ob eni només l’enan iòme que p esen a ac i i a ,
doncs l’enan iòme inac iu és conside a un impu esa. (30)
. També s’ha de eni en conside ació l’opo uni a d’inc emen a la capaci a d’un
p océs indus ial al passa de la mescla acèmica a l’enan iòme co esponen .
36 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
3.3.2. Ob enció de l’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic
Hi ha mol s camins ci a s en la bibliog a ia pe al d’ob eni aques àcid. Exis eixen an
mè odes químics com mè odes biològics basa s en e men acions, o i que els da e s
són mol més nomb osos, sob e o en els úl ims anys. Hi ha es udis que an ús de ongs,
al es de lle a s o de bac è ies o ins i o bac è ies mu an s que p opo cionin un
endimen majo .
To i que en aques eball es em pa in d’un diol, el 2-me il-1,3-p opandiol, que se à el
p ecu so , i que eò icamen l’es udi de l’ob enció d’aques àcid es basa en el seu pape
com a p ecu so en l’ob enció de me ac ila . En de e mina s a icles s’u ili za aques úl im
pe a la p oducció d’un àcid amb mol a impo ància en les a macèu iques.
Un al e dels p ecu so s habi uals és l’àcid isobu í ic el qual es me aboli za a l’àcid β-
hid oxi-isobu í ic.
3.3.2.1. Mè odes químics
Un dels mè odes més signi ica ius, u ili za des de a mol s anys és el desc i pe Lo ing
Coes J ., la pa en desc iu un mè ode mi jançan el qual ob eni àcid me ac ílic, que
desp és po ésse hid oli za pe ob eni l’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic.
U ili za com a ma è ies p ime es me ile ilce ona, que s’ob é a pa i del 2-bu anol, que a la
egada s’ob é en el c acking del pe oli; o maldehid, lleixiu, àcid clo híd ic i àcid sul ú ic.
En un p ime pas ba eja me ile ilce ona, o maldehid i hid òxid de sodi. Es e eda a
-30ºC i es deixa eposa 24 h pe pos e io men des il·la -ho i queda -se amb la acció
que bull en e 90-120ºC a 20 mil·líme es de me cu i. Aques a acció és el β-me il-γ-
oxobu anol.
En un segon pas usa el β-me il-γ-oxobu anol ba eja amb aigua pe addiciona -lo a una
solució de lleixiu come cial aigualida. Addició que es a de mane a g adual i ba ejan la
mescla du an dues ho es a una empe a u a d’en e 30 i 50ºC. Pos e io men s’a egeix a
aques a mescla àcid clo híd ic i s’escal a a 75ºC du an una ho a.
Alesho es s’ex au mi jançan die ilè e i aques ex ac e es des il·la pe elimina l’è e ,
quedan l’àcid me ac ílic jun amen amb algunes impu eses. Du an el segon pas es po
u ili za cou e o algun al e inhibido pe al d’e i a la polime i zació de l’àcid. (31)

Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 37
Un al e p océs pe ob eni l’àcid β-hid oxi-isobu í ic pe mè odes químics és l’esmen a
pe Robinson el 1963 a pa i de o maldehid i α-b omop opiona (32). O Choy que
epo a la sín esis dels dos enan iòme s pu s mi jançan una condensació aldòlica. (33)
3.3.2.2. Mè odes biològics
En els di e en s a icles que s’han consul a s’han usa dis in s p ecu so s pe ob eni
l’àcid, els més habi uals són l’àcid isobu í ic i l’àcid me ac ílic, pe ò úl imamen ambé
s’han publica di e sos a icles en els que s’u ili za com a p ecu so el 2–me il-1,3-
p opandiol, un p oduc e mol econòmic disponible en el me ca com a subp oduc e en el
p océs d’ob enció del bu andiol mi jançan una eacció de hid o o milació d’un alcohol
al·lílic i gas de sín esis, eacció senzilla i poc cos osa.
3.3.2.2.1. Àcid isobu í ic com a p ecu so
Il·lus ació 18: Àcid isobu í ic
Un dels mè odes d’ob enció de l’àcid, desen olupa pe Goodhue el 1971, u ili za la
bac è ia Pseudomonas pu ida. Aques p océs e men a iu és dels p ime s en p odui en
g ans quan i a s l’enan iòme L d’aques àcid, essen una p oducció es e eoespecí ica. El
p océs es a dona en un e men ado d’ace inoxidable de 15 L de olum amb 4 ba les
in e io s. Es subminis a ai e pe mi jà d’un di uso d’un sol o a disposa so a un agi ado
de 6 ca es de ipus paddle ins al·la al ons. Hi ha un al e agi ado pe sob e la mei a del
ecipien . (34)
Un al e p ocedimen que é com a p ecu so l’àcid isobu í ic és el publica el 1981 pe
Hasegawa. En aques s’ob é l’al e enan iòme , el D-β-hid oxi-isobu í ic, i s’u ili za el
bac e i Candida ugosa. S’aconseguí una concen ació de 21.7 g/l i una con e sió del
50% (35). Lee i al es an millo a aques p ocedimen mi jançan un con ol suplemen a i
de la glucosa en el qual s’ana a a egin glucosa de o ma con olada de o ma que es
man ingués la concen ació d’aques a en uns 10-20 g/l. En aques cas s’ob ingué una
concen ació mol majo , 100 g/l , pe ò amb una con e sió del 40%. (36)
38 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
En un a icle del 1999, Kim i al es an dissenya un p océs pe ob eni l’àcid mi jançan
es a ie a s mu an s de la Candida ugosa (MME 1027, MME 1259, MME 1559). La idea
es a a en u ili za ce es bac è ies mu ades incapaces d’assimila l’àcid p opiònic i pe
an que no po essin a una me aboli zació de l’àcid, i conseqüen men a una majo
con e sió. L’es udi a conclou e que la a ie a MME1259 és la que dona uns millo s
esul a s: 150 g/l i 81.8% de con e sió. (37)
3.3.2.2.2. Àcid me ac ílic com a p ecu so
Il·lus ació 19: Àcid me ac ílic
Un dels di e en s es udis e s pe al d’ob eni D-β-hid oxi-isobu í ic a pa i de l’àcid
me ac ílic és el du a e me pe Lee el 1997. S’u ili zà Candida ugosa i un mu an
d’aques a bac è ia. Els endimen s ob ingu s desp és de 120 ho es an se de 65 g/l i
40% de con e sió pe la bac è ia Candida ugosa i 70 g/l i 70% de con e sió pe la
a ie a mu an . (38)
En gene al s’ha is que els o ganismes amb l’habili a de p odui àcid β-hid oxi-isobu í ic
a pa i d’àcid isobu í ic ambé són capaços de e -ho a pa i d’àcid me ac ílic, pe ò amb
meno p oduc i i a . En la aula 7 es euen alguns exemples. (27)
Taula 7: Di e en s mic oo ganismes que p odueixen l’àcid β-hid oxi-isobu í ic (β-HIBA) a pa i d’àcid isobu í ic
(IBA) i d’àcid me ac ílic (MA). (27)
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 39
3.3.2.2.3. 2-me il-1,3-p opandiol com a p ecu so
En els úl ims emps degu al eno a in e ès cap a la p oducció sos enible s’han comença
a in es iga no es u es pe ob eni p oduc es químics amb impo ància en la indús ia.
En aques con ex s’in es iga aques a subs ància com a possible p ecu so pe ob eni
l’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic, doncs l’esmen a diol és un subp oduc e econòmic i de
g an disponibili a .
Un dels p ime s eballs que se’n des aca da a del 1979 i a se du a e me pe Hi omichi
Oh a i Ha suki Te sukawa que an u ili za Gluconobac e oseus. (39)
Cal des aca en aques apa a els eballs e s pe Molina i. Dos a icles publica s pe ell i
al es colabo ado s in es iguen sob e les possibili a s que o e eix aques camí. En un
u ili zen com a bac è ia una espècie anomenada Ace obac e ALEI i en l’al e u ili zen
Ace obac e pas eu ianus, essen les dues bac è ies de l’àcid acè ic. Aques ipus de
bac è ies són e icien s bioca ali zado s enan ioselec ius i poden p o oca l’oxidació
d’alcohols p ima is i secunda is. A més com a ca ac e ís ica addicional són comple amen
ino ensiu pels humans ins al pun de se comes ibles, amb el subsegüen aba a imen de
les despeses en segu e a que això compo a. (18) (17)
Els endimen s són una con e sió del 85% i 29 g/l en el cas dels ALEI i gai ebé un 100% i
25 g/l en el cas de l’Ace obac e pas eu ianus.
En aques eball ens ixa em més a ia en la publicació e a pe Pyo el 2012. U ili zan
l’esmen a diol com a p ecu so en el p océs e men a iu i una bac è ia de l’àcid acè ic, els
Gluconobac e oxydans, es dona una biocon e sió passan pel 3-hid oxi-2-me ilp opanal.
El p océs es a e en un bio eac o a escala labo a o i (3L) connec a a un mic o il e pe
eci cula les bac è ies. Es a man eni l’agi ació a 1000 pm i un lux d’ai e de 1 m. El
pH a se man ingu a 7.2 mi jançan l’addició de 5N NH4OH i la empe a u a a 28ºC. (1)
3.3.3. Ús indus ial de l’àcid β-hid oxi-isobu í ic
La impo ància d’aques a subs ància au sob e o en la se a qui ali a , com s’ha explica
en l’apa a 3.3.2.1. Així, la demanda d’aques ipus de subs àncies és cada egada majo
pe les aons explicades en l’apa a e e i . Sob e o en l’àmbi de les a macèu iques, on
com és lògic hi ha g an in e ès pe maximi za els e ec es, en aques cas mi jançan
l’ob enció dels enan iòme s adequa s que p odueixen els e ec es d’in e ès.
40 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Un dels usos més alo a s d’aques àcid és en l’elabo ació del Cap op il, un à mac que
p o oca en e al es coses una asodila ació dels asos sanguinis, aó pe la qual és
àmpliamen usa en la medicina: en casos d’hipe ensió, desp és d’in a s de co i pe
p oblemes de onyó. Aques à mac e a p epa a de al o ma que s’ob enia una mescla
acèmica dels enan iòme s L i D. Es sap que l’enan iòme D és ins a 100 egades més
e ec iu que l’enan iòme L, aó pe la qual s’usa a un p océs anomena Chi al esolu ion
pe al d’aïlla l’enan iòme co esponen . (40)
Il·lus ació 1:Mè odes d'ob enció del Cap op il. Molècules inicials [A, B] i p oduc e inal. a) p oposa
pe Hasegawa i al es, b) mè ode pa in d'àcid me ac ílic que conclou amb mescla acèmica.
Simpli ica de Chi al y in Indus y (27)
Hasegawa i al es in es igado s an desen olupa un mè ode l’any 1982 mi jançan el
qual s’ob é di ec amen la con igu ació desi jada a pa i de l’àcid 3-hid oxi-2-D-
me ip opanoic, doncs aques é la ma eixa con igu ació i la ma eixa uni a de 4 ca bonis
que el Cap op il (40). Men e que el endimen que s’ob enia desp és de sepa a
l’enan iòme de la mescla acèmica s’es ima a en un 19%, amb el nou mè ode p oposa
pe Hasegawa s’a iba a a un 65%. (27)
En el con ex de les a macèu iques ambé é un ús en la sín esis del ionò o Calcimycin,
subs ància de p opie a s an ibiò iques que ac ua com a anspo ado de ions a a és de
la memb ana cel·lula . (41)
Un al e ús és en la p oducció de α- oco e ol, una de les o mes de la i amina E i la més
ac i a biològicamen , que é uncions d’an ioxidan i de egulado de l’ac i i a enzimà ica.
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 47
L’oxigen és poc soluble en l’aigua i s’han d’usa sis emes pe a al de millo a -ne la
solubili a , doncs en cas de mic oo ganismes que necessi en l’oxigen pe la espi ació
ae òbica és necessa i que aques oxigen es igui dissol . (46)
3.4.1.4. Espuma
La espuma és conseqüència de les p o eïnes p esen s en el medi lligades a la in e ase
en e l’ai e i el cul iu. Si no es con ola la espuma gene ada en el e men ado es poden
bloqueja els il es, pe den -se les condicions asèp iques quan són necessà ies. Po
a iba a passa que el e men ado es con amini pe al es mic oo ganismes que no hi
hau ien de se p esen s.
3.4.2. Con ol dels pa àme es químics i ísics
To s aques s pa àme es i al es s’han de con ola pe al que la e men ació acompleixi
els seus objec ius. Pe al i es duen a e me una sè ie d’accions de egades mi jançan
mecanismes, de egades mi jançan l’addició de subs àncies.
3.4.2.1. Agi ació
L’agi ació és dona pe al de mescla les es ases dins del e men ado . La ase líquida
con é els nu ien s, la ase gasosa és p edominan men oxigen i diòxid de ca boni i la ase
sòlida es à compos a de les cèl·lules bac e ianes i dels subs a s sòlids en casos d’aques
ipus de e men acions. La ba eja p odueix condicions homogènies i p omou la
ans e ència de nu ien s, gas i calo . La ans e ència de calo és necessà ia du an la
es e ili zació i du an l’ope ació, pe man eni la empe a u a. És pa icula men
necessà ia una bona agi ació en casos de e men acions ae òbiques, on els mic obis
només poden adqui i l’oxigen que es à dissol en la ase líquida: p olonga la e enció de
les bombolles en suspensió, edueix la mida de les bombolles inc emen an la supe ície
de con ac e i disminueix el g uix de la capa de con ac e de la in e ase líquid-gas. (11)
(24)
Hi ha es mecanismes: ancs agi a s, sis emes pneumà ics i mecanismes hid odinàmics.
3.4.2.1.1. Tancs agi a s (STR)
Mo imen mecànic mi jançan agi ado s o ode s dins d’un ecipien cilínd ic que
habi ualmen con é de lec o s (o ba les), supe ícies planes e icals que se eixen pe
inc emen a la u bulència, p e enin la o mació de ò ex i eliminan les “zones mo es”.

48 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
3.4.2.1.2. Sis emes pneumà ics
Usen l’expansió de gas comp imi pe du a e me la mescla. Consumeixen menys
ene gia que un STR i p o oquen menys ib acions. S’inicia mi jançan la injecció d’ai e
comp imi a la pa baixa d’un ub d’aspi ació inician un mo imen e ical cap amun del
líquid i inician un cicle de mo imen s en el e men ado . Cas del e men ado s ai li .
3.4.2.1.3. Mecanismes hid odinàmics
U ili zen ene gia cinè ica del líquid pe al de mou e el ma eix. Això s’aconsegueix
mi jançan una bomba ex e io que eci cula el líquid i el einjec a de nou. Aques sis ema
s’usa en e men ado de ipus deep-je .
Il·lus ació 24: Fe men ado s amb di e en s ipus d'agi acions: a) ai li , b) deep-je , d) anc agi a (11)
3.4.2.2. T ans e ència de calo
Un ans e ència de calo e icien és mol impo an pel con ol de la empe a u a an en
l’es e ili zació com pe man eni la empe a u a adequada du an la e men ació. La calo
gene ada en una e men ació és deguda a l’ac i i a me abòlica p ime amen i als
p ocessos d’agi ació mecànica. En gene al aques a calo ha de se dissipada mi jançan
e edamen . Con à iamen , en e men acions que ope en a empe a u es supe io s a
l’ambien , es eque i à un inpu de calo .
La ans e ència de calo s’aconsegueix no malmen mi jançan el que s’anomena camisa
escal ada o e ige ada, un bescan iado de calo que a pe la pa ex e na del
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 49
e men ado , o be mi jançan un se pen í in e io , en casos on es eque eix un
ans e ència majo . En cap cas hi hau ia con ac e amb el medi, la calo es anspo a
pels mecanismes habi uals a a és de les pa e s, del se pen í o del ecipien , i els
de lac o s. (11)
3.4.2.3. T ans e ència de massa
La ans e ència de nu ien s des de la ase líquida a les cèl·lules bac e ianes és
ela i amen assequible ja que en gene al els nu ien s es an disponibles en excés. Unes
condicions idònies i una bona agi ació són su icien s pe a ga an i -ne la disposició. En
can i amb l’oxigen la cosa es complica, i algunes e men acions es euen limi ades pe
aques aspec e doncs l’oxigen es poc soluble en aigua (7-10 mg/L amb ai e i ins a
40mg/L amb O2 pu ).
To i que hi ha e men acions anae òbiques, en gene al s’ope a de o ma ae òbica i es
eque eixen g ans quan i a s d’ai e o oxigen que s’ha de dispe sa de o ma co ec e. Pe
enca a aques p oblema l’ai e es dis ibueix en el e men ado mi jançan di uso s de
mida a iable, depenen dels o a s, i amb agi ació o sense segons les necessi a s. (11)
Il·lus ació 25: Di uso amb agi ació i sense (47)
Les necessi a s d’ae ació en una e men ació es po de e mina pe un p océs
ela i amen simple.
3.4.2.3.1. De e minació de les necessi a s d’ae ació (46)
És necessa i man eni l’oxigen molecula en condicions òp imes pe assegu a unes
condicions de p oduc i i a màximes. Els dos pa àme es elaciona s amb la disponibili a
d’oxigen són la eloci a de ans e ència de l’oxigen de la ase gas a la ase líquida (kLa) i
la eloci a de consum d’oxigen pe pa del cul iu, OUR (oxygen up ake a e). (11)
50 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
La ans e ència d’oxigen en la mescla es po explica amb la següen ó mula, que depèn
de la di e ència de concen acions en e les ases i de la supe ície de con ac e en e el
gas i el líquid. 𝑁𝑂2=𝑘𝐿(𝐶𝐿𝐼−𝐶𝐿) Eq. 13
NO2 és el lux d’oxigen [mg/s·m2], KL el coe icien indi idual de ans e ència de ma è ia a
la ase líquida [m/s], CLi la concen ació d’oxigen a la in e ase [mg/m3] i CL la
concen ació d’oxigen a la ase líquida. Pe ò les concen acions a la in e ase són di ícils
de mesu a , així que s’acos uma a posa l’equació en unció del coe icien global i el
g adien global de concen acions.
𝑁′𝑂2=𝐾𝐿𝑎(𝐶𝐿∗−𝐶𝐿) Eq. 14
N’O2 és el lux olumè ic d’oxigen [mg/s·m3], KLa el coe icien global de ans e ència de
ma è ia [m/s] que depèn del cabal d’ae ació, la mida de les bombolles, la iscosi a i al es
pa àme es; C*L la concen ació del líquid a la in e ase i CL la concen ació del líquid. KLa
s’ha de de e mina en cada p océs.
Pe al de de sabe les condicions idònies necessi a em ambé alo a les necessi a s
associades al consum biològic (OUR) a pa de l’e icàcia de la ans e ència (KLa). Fem
un balanç de l’oxigen.
𝑑𝐶𝐿
𝑑𝑡 =𝐾𝐿𝑎(𝐶𝐿∗−𝐶𝐿)−𝑂𝑈𝑅 Eq.15
On OUR és la eloci a especí ica de consum d’oxigen [mg O2/m3·h]. I p ime e me a la
d e a de la igual a és l’apo ació de O2.
La OUR i la eloci a de ans e ència les podem de e mina mi jançan una ècnica
anomenada, mè ode GAS IN-GAS OUT. Es basa en in odui una pe o bació en el
sis ema quan es à en es a es aciona i.
S’aga a el ecipien on hi ha el cul iu i se’n mesu a la concen ació d’oxigen en emps
ze o, que co espond ia amb la concen ació de sa u ació. S’a egeix una pe i a quan i a
de subs a en un emps i s’obse a que la concen ació baixa. Si s’a egís ai e ambé es
dona ia aques a si uació, i al esgo a -se el subs a l’oxigen o na ia als ni ells inicials. Si
no hi hagués subminis amen l’oxigen no augmen a ia i es man ind ia lineal en el emps.
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 51
Il·lus ació 26: A) S'a u a l’ae ació, B) Es ep èn l'ae ació, C) Es man é l'ae ació ins assoli la CO2 inicial (46)
El penden de la baixada és essencialmen la eloci a global de consum del
mic oo ganisme (OUR) ja que can i de concen ació d’oxigen quan no es ic ai ejan es
degu exclusi amen al consum d’oxigen pe pa dels mic obis.
𝑑𝐶𝐿
𝑑𝑡 =𝐾𝐿𝑎(𝐶𝐿∗−𝐶𝐿)−𝑂𝑈𝑅 Eq.16
Si es lineali za el balanç d’oxigen KLa és la in e sa del penden . La unció és lineal de
l’es il y = m·x + n.
𝐶𝐿=−1
𝐾𝐿𝑎(𝑑𝐶𝐿
𝑑𝑡 +𝑂𝑈𝑅)+𝐶𝐿∗ Eq. 17
Il·lus ació 27: Equació 17 g a icada (46)
3.4.2.4. Addició de subs àncies. pH i espuma
Pe ce s pa àme es no disposem de mecanismes que puguin man eni -los en uns alo s
adequa s pel co ec e uncionamen del e men ado . En aques es si uacions s’a egeixen
subs àncies que inhibeixen la o mació o en man enen el alo en un in e al adequa .
52 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
3.4.2.4.1. Espuma
De ca a a con ola la o mació d’espuma es poden segui es camins: u ili za una
con igu ació mecànica en el e men ado que enqui l’espuma, modi ica la composició
del medi o a egi p oduc es an iespuman s.
Aques s p oduc es son agen s supe icials que edueixen la ensió supe icial que man é
l’espuma unida. L’an iespuman ideal hau ia de espond e a les següen s
ca ac e ís iques: i) apida dispe sió, ii) ac i i a a poques concen acions, iii) acció
p olongada, i ) no òxic, ) econòmic, i) e mos able, i ii) compa ible amb els al es
componen s del medi. S’usen an iespuman s na u als de i a s d’olis ege als o sin è ics
com polialcohols o glicols alquila s. (11)
3.4.2.4.2. pH
El con ol del pH s’acos uma a e a egin subs àncies, ja que a egades els p oduc es
d’una e men ació poden al e a el pH. No malmen s’u ili zen dissolucions ampó, os a s
pe exemple, pe ò si la e men ació és lla ga po no se su icien i es eque eix a egi
àcids o bases. Alesho es el pH es man é als ni ells desi ja s mi jançan una addició
au omà ica p opulsada amb una bomba connec ada a un ecipien que con é l’àcid o la
base, i un elèc ode que con oli el pH. En casos de e men acions que p odueixen àcids
ambé es po usa hid òxid d’amoni, que ambé se eix com a on de ni ogen. (11) (24)
3.4.3. Mè odes d’ope ació i ipus de e men ado s
En gene al hi ha es camins pe du a e me un p océs de e men ació: p océs con inu,
p océs discon inu (Ba ch) i ope ació ed-ba ch, una modi icació de l’úl im. (48)
Il·lus ació 3: Pe con inu (F = Fou ≠ 0; olum cons an ), pe Ba ch (F = Fou = 0; olum cons an ), pe Fed-ba ch
(F ≠ 0 i Fou = 0; olum augmen a) (48)

Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 53
3.4.3.1. P océs con inu
És un sis ema obe on s’hi a egeix con ínuamen el subs a i el p oduc e es e i a
cons an men ambé. D’aques a o ma es eballa con ínuamen . En aques s sis emes, els
mic obis c eixen de o ma exponencial du an pe íodes de emps lla gs, amb un índex de
c eixemen cons an i especi ica . A pa , enen la p opie a d’assoli un es adi en el qual la
concen ació dels nu ien s i el nomb e de mic obis no a ia amb el emps. (11)
El c eixemen depèn d’un pa àme e anomena eloci a de dilució, D, és el que en dona
una idea de si s’es à p oduin més o menys p oduc e o consumin -se més o menys
subs a . (46) 𝐷=𝐹/𝑉 Eq. 18
Així doncs pod em esc iu e un balanç de massa del eac o pe cada espècie.
𝑑𝑋
𝑑𝑡=𝜇𝑋−𝐷𝑋 Eq. 19
𝑑𝑆
𝑑𝑡=−1𝑌𝜇𝑋+𝐷(𝑆𝑖−𝑆) Eq. 20
𝑑𝑃
𝑑𝑡=1
𝑌𝑃𝜇𝑋−𝐷𝑃 Eq. 21
Donan la ol a a l’equació 18 ind íem el emps de esidència.
𝜏=𝑉/𝐹 Eq. 22
Un aspec e in e essan en aques ipus d’ope ació és el seu es udi en es a es aciona i.
En el cas que dX/d =0 implica à que 𝜇=D, el que signi ica que podem egula el
c eixemen del nos e cul iu (𝜇) egulan el olum (V) o el cabal (F). S’han de eni en
comp e algunes conside acions:
i) Es po egula la 𝜇 ins un lími , 𝜇màx, a pa i de la qual les cèl·lules ja no
c eixe an, sinó que es p odui à un en a del bio eac o .
ii) Si p enem el ipus Monod com a cinè ica de c eixemen alesho es hem de
eni en comp e que en la si uació D= 𝜇màx l’equació ens dona à e o , doncs
se à una si uació en que no ind em subs a . Hem de eni en comp e que
semp e hi hau à subs a en un p océs con inu.
iii) La concen ació de biomassa en el eac o en con inu no a ia, depèn del
54 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
endimen o del subs a que en a menys el que su . Pe això quan ixem el
cabal que en a o el olum, i pe an la eloci a de dilució D, o el demés ens
queda à ixa . A cada D li co esponen una concen ació de biomassa i de
subs a úniques que queda an ixades.
El que acaba in e essan en aques mode d’ope ació és acos a -nos a 𝜇màx pe ò no
sob epassa -la, és a di eballa pe so a enca a que no sigui el màxim c eixemen que
les cèl·lules puguin eni . T eballa mol a p op del alo màxim de c eixemen pod ia
po a a que una pe i a a iació alea ò ia de les condicions p o oqués el en a del
bio eac o . (46)
3.4.3.2. P océs discon inu (ba ch)
En un p océs pe lo s hi ha ce es condicions que són can ian s, la concen ació de
nu ien s, la concen ació de p oduc es i el c eixemen mic obià. Les cèl·lules passen
pels p ocessos desc i s en la il·lus ació 13 de la secció 3.2.5. de mane a que mai s’a iba
a unes condicions d’es a es aciona i. Els p ocessos pe lo s ípics segueixen els
següen s passos: i) ca ga del e men ado amb el medi de cul iu, ii) es e ili zació,
iii)inoculació, i ) ob enció de p oduc es mic obians, ) sepa ació de p oduc es, i) ne eja
del ecipien . Això é ce es epe cussions econòmiques doncs du an bona pa emps no
s’es à p oduin es. (11)
La cinè ica de c eixemen mic obià en un p océs discon inu ha es a desc i a en la secció
3.2.5.
3.4.3.3. P océs ed-ba ch
És po conside a una a iació d’un p océs discon inu. Ha es a u ili za pe ob eni lle a s
alimen a is i penicil·lina. La di e ència amb un p océs discon inu es à en que s’a egeixen
nu ien s un cop començada la e men ació, cosa que inc emen a el olum de la
e men ació.
Les addicions es poden e de o ma in e mi en , a egin l’ex a de nu ien s en pun s
de e mina s i especi ica s, o bé a egi -los an sols en un pun pel inal de la ase de
c eixemen . La aó es à en es end e la p oducció, i és ú il en casos en que els subs a s
p esen in inhibició o bé en casos de subs a s que es me aboli zen mol àpidamen .
També és a se i en e men acions en que el subs a causa p oblemes elaciona s amb
la iscosi a .
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 55
Aques a ope ació és mol ípica, ja que pe me con ola mol bé les condicions man enin
ce es subs àncies als ni ell desi ja s i a la egada pe me al es concen acions en
p oduc es. Acos umen a ha e -hi dos c i e is pe l’es a ègia de l’alimen ació:
1. Man eni la concen ació del subs a cons an .
2. Man eni el c eixemen olumè ic dels o ganismes cons an s (o el consum d’un
subs a ).
S’aplica la p ime a en casos en que hi hagi inhibició de subs a , alesho es la
concen ació escollida se à depenen del g au d’inhibició conjun amen amb el desig de
man eni un ce c eixemen molecula . El c eixemen olumè ic cons an (o consum d’un
subs a ) s’aplica quan hi ha limi acions, com a a en el subminis amen d’oxigen o en la
dissipació de la calo . (48) (11) (24)
3.4.4. Es e ili zació
Pe e i a la con aminació an de la e men ació a causa de mic obis ae is o de l’en o n a
causa de p oduc es de la e men ació, les en ades d’ai e i les so ides inco po en il es.
Es an dissenya s pe a apa i con eni els mic obis i es an e s de ib a de id e, ib es
mine als, poli e a luo oe ilè o PVC. S’han de pode can ia i ne eja àcilmen .
En si uacions on s’usen mic oo ganismes pa ògens, els sob an s de la e men ació
pod ien eque i u ili za ècniques d’es e ili zació de calo seca, incine ació. Aques a
ècnica es a mi jançan o ns d’ai e calen a 160ºC du an 2 ho es.
En quan al e men ado ambé eque eix es e ili za -se, an el ecipien com el medi de
cul iu. Pe ope acions a escala indus ial o escala pilo aques a es e ili zació es po e
amb el ecipien bui .
A escala pe i a, com en un labo a o i, s’acos uma a ompli el e men ado amb medi de
cul iu i pos e io men s’es e ili za amb apo a p essió, no malmen s’escal a a una
empe a u a de 121ºC du an 15 minu s. Pe e men ado s més g ans s’acos uma a usa
empe a u es més al es i més emps d’es e ili zació amb la in enció d’ob eni una
p obabili a de con aminació meno al 0.1%. (11)
Una o ma de conèixe les necessi a s d’es e ili zació és a a és de l’anomena Del
ac o . Com més g an és el alo més g ans se an les necessi a s d’es e ili zació.
∇=ln 𝑁0𝑁𝑡
⁄ Eq. 23
56 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
N0 és el nomb e de mic oo ganismes que hi ha inicialmen i N en ep esen a el núme o al
cap d’un emps . El alo de N quan s’ha assoli l’objec iu d’un isc de con aminació del
0.1% és de 10-3. El alo o al del Del ac o e dona an pe l’escal amen com el
e edamen , a pa es cla del emps que oman a la empe a u a indicada.
∇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=∇𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑓𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡+∇𝑚𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡+∇𝑟𝑒𝑓𝑟𝑒𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡 Eq. 24
Si coneixem ∇escal i ∇ e ed pe un sis ema de e mina alesho es podem calcula el alo de
∇man saben el alo de la cons an de de unció del mic oo ganisme (k).
𝑡=∇/𝑘 Eq. 25
Una simpli icació del mè ode és la que a e Richa ds el 1968. Assumeix que o a la
des ucció es dona quan la empe a u a és supe io a 100ºC guanyan mol a simplici a i
pe den poca p ecisió. (24)
Il·lus ació 29: es e ili zació d'un e men ado amb simpli icació de Richa ds (11)
La me odologia pe po a a e me l’es e ili zació és e passa apo a p essió pe la
jaque a de e edamen o pel se pen í in e io , si n’hi ha. També es po injec a
di ec amen a l’in e io del ecipien pe ò po ha e -hi p oblemes pe can is de olum en
el medi de cul iu. Aques a me odologia, usan apo , es més ba a a que u ili zan
ècniques de calo seca, i és e ec i a. (11)
A egades hi ha componen s sensibles a la calo que poden des ui -se. En aques s
casos s’acos umen a u ili za sis emes d’es e ili zació pe il es. S’acos umen a u ili za
il es absolu s o de po us ix, que es basen en po us meno s a les pa ícules que s’han
de e i a i son 100% e icien s en emou e mic oo ganismes. (24)
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 63
És impo an eni en comp e que la du ació d’un elèc ode no es in ini a ja que l’elèc ode
es un senso basa en una cel·la elec oquímica. Aques a cel·la comença a so i desgas
des de el momen de la se a ab icació. Aques elèc ode en conc e du a à depenen de
la cu a amb que es ac i de 3-12 mesos.
5.1.4. Espuma
Pe al de con ola la o mació d’escuma s’han ingu en comp e dues conside acions,
una e e en al disseny i l’al e e e en al medi de cul iu.
En el medi de cul iu el que es a en l’a icle de Sang-Hyun Pyo és a egi un agen
an iespuman , especí icamen el polip opilenglicol.
Pe al a banda si bé no s’ha a egi cap encado d’espuma en el disseny si que s’ha
deixa un espai a la pa supe io pe què la o mació d’escuma o la agi ació no p o oqui
xocs con a la pa de dal del e men ado o es p odueixi ob u ació dels po s
5.1.5. Agi ació
En el cas de l’es udi de Sang-Hyun Pyo l’agi ació es man enia a 1000 pm (1). Molina i
desp és de e un es udi de di e en s eloci a s de o ació de e mina a que la millo opció
e en 300 pm (17). Com s’ha explica an e io men l’agi ació es necessà ia pe la
ans e ència de nu ien s en e ases així com pe la co ec a ans e ència de l’oxigen a
la ase líquida. En el e men ado dissenya s’escull una agi ació de 500 pm, un pun
en emig pe l’al consum ene gè ic que suposa ien 1000 pm.
En el cas de les eaccions mic obianes s’acos uma a u ili za una u bina Rush on i
aques és el cas d’aques eball.
Il·lus ació 35: Tu bina Rush on ex e a de la web de Fusion Fluid Equipmen

64 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
5.1.6. Cul iu i man enimen del mic oo ganisme
Si p ocedim igual que p ocedi en Sang-Hyun Pyo i els seus col·labo ado s i adqui im els
Gluconobac e oxydans de DSMZ (Deu sche Sammlung on Mik oo ganismen) el
p ocedimen a segui se à el següen .
El cul iu e disposa en un medi con o ma pe glucosa, lle a s, CaCO3 i aga -aga . Els
aga inclina s s’inoculen amb el cul iu ma e en una solució al 20% de glice ol, i
pos e io men son incuba s a 28ºC du an 2 dies, i desp és gua da s a 4ºC.
Pe e el p ecul iu, les cèl·lules supe icials dels ubs inclina s es posen en 100 mL en un
medi de e men ació en E lenmeye s de 1L que con enen: 10 g de glice ol, 10 g
d’ex ac e de lle a , 5 g de KH2PO4 a pH 5.5. Els lascons s’incuben en un agi ado -
incubado o bi al a 28ºC i 200 pm 4 dies. Passa aques emps s’u ili za pe a inocula un
e men ado pe a p odui la quan i a necessà ia de mic oo ganismes.
5.2. Disseny de la e men ació
5.2.1. Du ació dels cicles i p oduc i i a
A pa i de l’es udi publica el 2012 pe Sang-Hyun Pyo i al es col·labo ado s (1) s’han
escolli les condicions d’ope ació e e en s a la du ació dels cicles.
A pa i del g à ic p opo ciona en l’es udi es po escolli quin es el cicle ideal de eball.
Il·lus ació 36: Con e sió del subs a (♦, 2-me il-1,3-p opandiol), de l'in e medi (■, 2-me il-3-hid oxip opanal) i
del p oduc e (▲, àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic) u ili zan 2.6 mg/mL de bac è ies (ma è ia seca) a ph=7.2 i
29ºC u ili zan 7.5 g/L de subs a . (1)
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 65
Llegin aques g à ic i o a la in o mació elacionada amb aques en l’es udi de Pyo
s’acaba decidin pe una e men ació de 8 ho es, s’obse a que du an les 3 p ime es
ho es s’ha assoli una con e sió del 60% i que pos e io men la con e sió del subs a
comença a da alla , o nan -se ma ginal al cap de 8h. En aques pun l’in e medi aldehid
s’ha consumi quasi o i sembla pe an un bon momen pe a u a la e men ació, doncs
si deixem que con inuï assoli em gai e bé la ma eixa con e sió pe ò en un emps mol
majo
Així doncs a les 8 ho es de e men ació ind íem una bona con e sió del subs a i
queda ien les p opo cions de la següen o ma:
 Un 2% en o ma de l’in e medi 2-me il-3-hid oxip opanal:
0.02·7.5 𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑒 =0.15 𝑔/𝐿
 Un 9% queda en o ma de subs a que no ha eacciona :
0.1·7.5 𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑒 =0.75 𝑔/𝐿
 Un 88% del subs a s’hau ia ans o ma a l’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic, és a
di que s’assoleix una p oduc i i a de:
0.88·7.5 𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑒 =6.6 𝑔/𝐿
Aques a concen ació se à la p oduc i i a que espe em ob eni en la nos a e men ació
al cap de les 8h que du a à.
Un al e pun impo an a eni en comp e és a les 3 ho es:
 Un 37.8% es a ia en la o ma de subs a sense eacciona :
0.378·7.5 𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑒 =2.835 𝑔/𝐿
66 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
 Un 56.1% s’hau ia con e i en àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic:
0.561·7.5 𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑒 =4.207 𝑔/𝐿
 Un 6.1% en l’in e medi aldehid2-me il-3-hid oxip opanal:
0.61·7.5 𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑒 =0.4575 𝑔/𝐿
En aques momen o i que la concen ació de l’àcid no ha assoli un alo ele a és el
momen on la concen ació d’in e medi és majo . Aques in e medi é mol alo an pe la
se a qui ali a com pe l’al a eac i i a dels aldehids. Pe aques a aó s’ha dissenya el
bio eac o do an -lo d’una aixe a a la pa in e io mi jançan la qual se’n po ex eu e el
con ingu quan es ulgui.
Si es ol p ecedi d’aques a o ma alesho es s’hau ia de dissenya un p océs de
sepa ació adequa a al e ec e. Pe exemple en passa la solució pe memb anes
selec i es a àcids de ca a a sepa a el componen majo i a i i pos e io men sepa a la
mescla de subs a i in e medi mi jançan un p océs de des il·lació, ap o i an els di e en s
pun s de condensació de les subs àncies, 212ºC (PubChem) i 162ºC (Chemspide )
espec i amen pe el 2-me il-1,3-p opandiol i el 2-me il-3-hid oxip opanal.
5.2.1. Disseny del e men ado pels mic oo ganismes
La e men ació que es ol du a e me en aques eball, l’oxidació del 2-me il-1,3-
p opandiol pe l’acció dels Gluconobac e oxydans, eque eix una con ibució impo an
d’aques es bac è ies. Pe aques a aó en aques cas no es po du a e me un
p ocedimen habi ual d’inocula el ma eix e men ado que p odueix l’àcid, el que s’ha de
e és un e men ado que uncioni en pa al·lel mi jançan el qual ob inguem els bac e is.
L’objec iu d’aques eball no és dissenya aques e men ado , pe an no se’n a à un
disseny en 3D ni ampoc els plànols pe a la se a cons ucció o la de e minació de la
se a geome ia. El que sí que a em en aques apa a es designa quines són les
condicions de uncionamen .
En l’es udi e pe Sang-Hyun Pyo es p opo cionen ce es dades d’in e ès pe a sabe
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 67
més coses sob e aques e men ado (1). Aques es es ecullen a la aula 6.
Tempe a u a
28ºC
pH
5.5
Agi ació
500 pm
Ae ació
1 m
Du ació
48h
P oduc i i a
(ma è ia seca)
1.3 g/L
Taula 9: Condicions de la e men ació dels Gluconobac e oxydans
Pe el con ol del pH a 5.5 s’u ili zen dues solucions, NH4OH com a base i HCl com a
àcid. A pa pe e i a p oblemes amb l’espuma s’a egi à polip opilenglicol quan sigui
necessa i.
És necessà ia una concen ació de bac è ies de 2.6 g/L en e mes de ma è ia seca, pe a
que es donin les con e sions desi jades d’àcid. El olum inicial de subs a que es posa
en el e men ado és de 235 li es, i en un càlcul àcil es sap que el que necessi a em
pe espec a aques a concen ació de bac è ies se an 612 g d’aques es pe a cada
e men ació.
La e men ació dels mic oo ganismes ens dóna una p oduc i i a de 1.3 g/L de ma è ia
seca, pe an : 612𝑔
1.3𝑔/𝐿·2=940𝐿
Que és el olum de eball necessa i pe a p odui la quan i a desi jada. S’ha de eni en
comp e que la e men ació p incipal du a 8 h, i aques a en du a 48 h. En e mes absolu s
la di e ència és mol g an, pe ò si pensem en jo nades labo als la única di e ència és que
la e men ació p incipal la a em un cop al dia i la e e en als mic oo ganismes un cop
68 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
cada dos. Pe aques a ma eixa aó se à necessa i dobla la p oduc i i a de la més lla ga
pe al d’adap a -la al i me de la e men ació més cu a.
Així doncs es poden plan eja di e ses al e na i es pe aques sis ema de eac o s:
OPCIÓ 1
2 e men ado s de 470L + 1 de 235L
OPCIÓ 2
5 e men ado s de 235L
OPCIÓ 3
1 e men ado de 940L + 1 de 235L
Taula 10: Opcions de combinacions de eac o s
Sembla que les dues p ime es opcions són les més àlides, doncs un e men ado de
940L s’allunya ia bas an del pa àme es ípics de l’escala pilo . Pe al a banda l’opció 2
se ia impo an conside a-la, doncs el e que la concen ació de bac è ies ob inguda sigui
jus la mei a que la eque ida pe la e men ació p incipal, 1.3 i 2.6 espec i amen ,
possibili a que puguem u ili za el ma eix disseny que en el e men ado pe a la
p oducció de l’àcid. To i així s’ha de eni en comp e que com més eac o s s’u ili zin més
cos os associa s al consum ene gè ic o a l’es ablimen de sis emes de con ol hi hau à.
Finamen el sis ema escolli se à el co esponen a l’opció 1, una opció en emig de les
al es dues. Les dimensions es a an dins dels pa àme e ípics de l’escala pilo i no s’usen
un nomb e an ele a de bio eac o s.
Aques a con igu ació é dues a an a ges. Cada bio eac o pe si sol p odueixi la quan i a
necessà ia de bac è ies pe una e men ació, pe an ens es al ia em els cos os
associa s a la conse ació de les bac è ies. Això no passa ia amb la opció 3, la mei a de
la p oducció del qual s’hau ia d’emmaga zema ins el dia següen . L’al a a an a ja és
sob e l’opció 2, que implica ia un ope a i al amen especiali za , doncs hau ia de con ola
a la egada 5 bio eac o s.
5.2.2. Volum de eball i olum del e men ado
Pe al de comença a e el disseny el que s’ha e p ime de o és escolli quina se ia la
p oducció desi jada. S’ha decidi ixa -se un objec iu de 350 kg d’àcid. A pa i d’aques a
p oducció s’ha pogu de e mina el olum inal del e men ado de la següen o ma.

Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 69
Es olen p odui anualmen 350 kg i habi ualmen en un any es eballen uns 225 dies en
jo nades de 8h, que és el que du a la e men ació:
350,000 𝑔 à𝑐𝑖𝑑
1 𝑎𝑛𝑦 ·1 𝑎𝑛𝑦
225 𝑑𝑖𝑒𝑠 𝑡𝑟𝑒𝑏𝑎𝑙𝑙𝑎𝑡𝑠·1 𝑑𝑖𝑎
1 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó=1555.56 𝑔 à𝑐𝑖𝑑/𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó
A pa i d’aques a dada i de la p oduc i i a , 6.6 g/L, podem calcula el olum de eball:
1555.56 𝑔 à𝑐𝑖𝑑
𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó·𝐿 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó
6.6 𝑔 à𝑐𝑖𝑑 =235.69 𝐿
𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó
El olum de eball és un 70-80% del olum o al del e men ado pe con a es a la
o mació d’espuma. En aques cas no hi ha in o mació e e en a aques p oblema, pe ò
en l’es udi que s’es à p enen com a guia es a ús d’un agen an iespuman en el cul iu de
les bac è ies, pe an s’ha decidi se p uden s en aques aspec e i deixa espai su icien .
𝑉𝑡𝑟𝑒𝑏𝑎𝑙𝑙=𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙·0.7
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=235.69
0.7 =336.7 𝐿
Aques olum pe al de acili a el disseny s’a odoneix a l’alça a 350L que se à el olum
de ini iu del e men ado dissenya en aques eball.
5.2.3. Pa àme es de o ma del e men ado
El ipus de e men ado que s’ha escolli pe a la p oducció de l’àcid ha es a un eac o
discon inu de anc agi a , amb una mè ode d’ope ació de ipus Ba ch. Pe a e el disseny
s’han segui una sè ie de dimensions ela i es o es elles ecollides en la aula 5. (52)
Il·lus ació 37: Geome ia ípica d'un e men ado de anc agi a (52)
70 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Al u a del líquid en elació a l'al u a
del eac o
Hl/H
0.7
Al u a del eac o en elació al
diàme e
H /D
1.5
Diàme e de la u bina en elació al
diàme e del anc
Da/D
0.33
Diàme e dels de lac o s en elació
al diàme e del anc
Dd/D
0.09
Al u a de la ulla de la u bina en
elació amb el diàme e de la u bina
W/Da
0.2
Amplada de la ulla de la u bina en
elació al diàme e de la u bina
L/Da
0.25
Dis ància de l'anell uixado al mig
de la u bina
E/W
1
Taula 11: pa àme es de disseny d'un e men ado de anc agi a . Valo s ex e s de (52)
5.2.4. De e minació de la geome ia del ecipien
A iba s a aques pun és necessa i oba les dimensions ca ac e ís iques del
e men ado . El e men ado que s’ha dissenya és de cos cilínd ic amb una cúpula a la
pa de dal i una cúpula in e ida a la pa de baix, pe an a l‘ho a de conside a el
olum s’han de conside a que aques es dues ambé. Pe a e -ho es plan eja la següen
equació de ca a a e una p ime a es imació, que desc iu que el olum és només degu al
cilind e.
𝑉=𝜋4·𝐷2·𝐻
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 71
I dels pa àme es de disseny sabem que H=1.5·D, i pe an :
0.35=𝜋4·(𝐻
1.5)2·𝐻
D’on obem que H=1.00089 m≅1 m. Així decidim que la cúpula de dal ind à una al u a
h1=12 cm=0.12 m i la de baix una lleuge amen in e io , h2 =10 cm=0.1 m.
A a podem oba les dimensions exac es. Saben el olum d’una cúpula:
𝑉𝑐=𝜋·ℎ2
3·(3𝑅−ℎ) 𝑖 𝑅=𝐷2=23·𝐻
Podem esc iu e el olum o al del eac o de la següen o ma:
𝑉=𝜋4·𝐷2·𝐻+𝜋·ℎ12
3·(𝐻−ℎ1)+𝜋·ℎ22
3·(𝐻−ℎ2) Eq. 26
On subs i uin :
0.35=𝜋4·(𝐻
1.5)2·𝐻+𝜋·0.122
3·(𝐻−0.12)+𝜋·0.12
3·(𝐻−0.1)
Ob enim inalmen uns alo s de:
𝐻=0.9793≅0.98 𝑚
𝐷=0.65286≅0.65 𝑚
5.2.5. De lec o s
La impo ància dels de lec o s au en e i a la o mació de ò ex i de o s co en s, és
mol habi ual l’ús d’aques s i se solen usa nomb es pa ells.
En el cas del nos e eball s’u ili za an 4 de lec o s ins al·la s a les pa e s del e men ado
a 90ºC l’un de l’al e.
El diàme e dels de lec o s s’ha calcula amb els pa àme es de disseny mos a s
an e io men :
72 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
𝐷𝑑
𝐷𝑡=0.09
𝐷𝑑=0.09·0.65=0.0585 𝑚
L’espesso dels de lec o s s’ha escolli que sigui de 1 cm dona que és habi ual que siguin
plaques planes, l’al u a se à igual a la de la pa cilínd ica del e men ado .
Il·lus ació 38: La igu a de l'esque a esquema i za el uncionamen d'una u bina axial o adial sense
de lec o s, la de la d e a una que si que en disposa. (53)
5.2.6. Agi ado i mo o
Com ja s’ha explica l’agi ado escolli és una u bina Rush on, d’ús habi ual en eac o s
biològics. S’ha escolli una u bina de 6 pales i a con inuació es mos en els càlculs e s
pe sabe -ne la geome ia. 𝐷𝑎
𝐷𝑡=13 ; 𝑊
𝐷𝑎=15 ; 𝐿
𝐷𝑎=14 ; 𝐸
𝑊=1
𝐷𝑎=13·0.65=0.216667 𝑚≅0.217 𝑚
𝑊=15·0.217=0.0434 𝑚≅0.043 𝑚
𝐿=14·0.217=0.05425 𝑚≅0.054 𝑚
𝐸=0.043 𝑚
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 79
líquid calculada an e io men a l’apa a 5.2.7., ja que es à a so a de o ; i in eg an
aques a eloci a en o a l’al u a del líquid.
𝑣=1
𝐻𝑙·∫√2𝑔ℎ
𝐻𝑙
0·𝑑ℎ Eq. 32
𝑣= 1
0.78∫ √2·9.81·ℎ·𝑑ℎ=5.678·
0.78
0[2√ℎ3
3]00.78=2.6𝑚
𝑠
𝑄=𝑣·𝐴→𝐴=1.5·10−3𝑚2=15 𝑐𝑚2
Com que la so ida és pe una canonada cilínd ica en pod em sabe el adi.
𝑆=𝜋·𝐷42→𝐷=√𝑆𝜋=4.37 𝑐𝑚 𝑜 43.7 𝑚𝑚
Pe e i a p oblemes degu s a l’es imació que s’ha e s’augmen a à un 30% quedan en
57 mm. Així doncs aques se à el diàme e de la so ida p incipal que es connec a à a
una canonada o mànega.
Pel cas de l’aixe a l’elecció del diàme e no ha es a possible, doncs di ícilmen
dissenya em una aixe a quan és mol més senzill adqui i -ne una. D’aques a mane a s’ha
oba un model in e essan i s’ha dissenya la canonada segons les especi icacions
d’aques model, mi jançan una unió pe osca de pas 1.814 mm i un diàme e de 21 mm.
Il·lus ació 43: Model d'aixe a escolli . Ex e del domini públic de GRABCAD (A) i de all de la canonada de
so ida amb ende i za (B).
En aques cas el buida no es dona à en menys de un minu . Pe ò no és un impedimen
doncs aques a aixe a es à pensada pe a ex eu e mos es pe sabe en quin pun de la
e men ació es em, o ex eu e l’in e medi aldehid si in e essa.

80 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
𝑄=2.6·3.46·10−4=9·10−4𝑚3
𝑠
𝑡=𝑉𝑄=0.2356
9·10−4=261.62 𝑠→4min𝑖 21𝑠
5.2.9.3. Vàl ules
En o es les en ades i so ides s’u ili za an àl ules. En gene al en o s els casos només
ens in e essen les posicions d’obe i anca així que el que u ili za em se an les àl ules
de bola, adequades pe a aques ús.
Il·lus ació 44: Vàl ula de bola de l'emp esa GENEBRE i àl ula de segu e a de segu e a de GENERANT
En el cas de la so ida d’ai e s’u ili za à una àl ula de segu e a . Aques ipus de àl ula
s’usa pe e i a p essions g ans i s’ob e de cop quan la p essió és excessi a.
5.3. Disseny en Solidwo ks®
En aques apa a es mos a an di e en s is es del disseny e amb Solidwo ks®.
Il·lus ació 45: Vis a de la apa supe io . Sense ende i za
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 81
Il·lus ació 46: Vis a en de all de la apa amb ende i za
Il·lus ació 47: Vis a en de all de la pa baixa amb ende i za
82 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Il·lus ació 48: Vis a de secció en pe spec i a amb en e i za
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 83
Il·lus ació 49: Vis a amb pe spec i a dimè ica del e men ado amb ende i za
84 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Il·lus ació 50: Vis a pos e io del e men ado amb ende i za

Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 85
5.4. Plànols del Disseny
86 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 87
88 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 95
8. O gani zació del p ojec e

96 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Conclusions
L’objec iu d’aques eball e a el disseny en 3D i l’elabo ació dels plànols d’un eac o de
350L pe a p odui 350 Kg d’àcid 2-me il-3-hid oxip opanoic pe mi jà d’una e men ació
mic obiològica. Això s’ha e u ili zan els p og ames Solidwo ks i eD awings.
P ime amen s’ha hagu d’escolli el bac e i a e se i i pe això s’ha e una ece ca
bibliog à ica d’es udis sob e la emà ica concloen en els Gluconobac e Oxydans, usa s
en l’es udi e pe Sang-Hyun Pyo (1), que s’ha p es com a guia.
El ipus de eac o ia ha es a de anc agi a (H=98cm i D=65cm) uncionan pe lo s,
amb una e men ació de du ada 8h i una p oduc i i a de 6.6 g/L d’àcid. Pe al d’e i a la
o mació de ò ex s’han usa 4 de lec o s i, pel e de se una e men ació cu a, s’ha usa
un aïllan pe a man eni la empe a u a adequada, deses iman la possibili a d’usa una
camisa è mica.
En l’es udi (1) es mencionen p oblemes d’inhibició pel subs a de mane a que s’ha
es udia la cinè ica mic obiana. A (26) Edwa s conside a que el model ma emà ic
p oposa pe Haldane és el que millo desc iu el enomen i la se a exp essió ma emà ica
és senzilla. Pe aques mo iu és el model escolli .
L’elecció del sis ema d’agi ació s’ha basa en els es udis de Da is (54) i A menan e (57),
decidin -nos pe una doble u bina Rush on. L’es udi de Pyo eia ús d’una agi ació de
1000 pm pe ò això po a a a uns cos os mol ele a s de consum elèc ic (22kW,
20€/ e men ació) de mane a que, anàlogamen a (17), s’ha decidi ebaixa -les a 500 pm
i un mo o de 3 kW.
Degu a la necessi a de con a amb una e men ació p è ia pel c eixemen del bac e i,
s’ha dissenya un pla d’ope acions. Són necessa is dos ope a is pe du a e me les 10
e men acions se manals necessà ies pe a iba a la p oducció 350 kg d’àcid anuals.
L’es udi econòmic ha esul a en un cos o al del p ojec e de 13352,86€. En l’es udi de
l’impac e ambien al s’han calcula les emissions de CO2 pe kilog am de p oduc e; les
emissions degudes a la e men ació p incipal no són mol ele ades, 4.7, pe ò conside an
les degudes a la e men ació p è ia les emissions són mol majo s, 32. Aques úl im alo ,
degu a la baixa p oduc i i a i l’al a agi ació, ens a plan eja -nos la necessi a d’in es iga
al e na i es pe al de edui les emissions. Una bona mane a se ia segui les indicacions
d’un al e es udi e pe Molina i el 2003 (17) amb una al a bac è ia, els ace obac e
pas eu ianus, en el qual assolí una p oduc i i a mol majo (25 g/L) i usà un agi ació mol
meno (300 pm).
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 97
Bibliog a ia
1. Sang-Hyun Pyo e al. A new ou e o he syn hesis o me hac ylic acid om 2-me hyl-
1,3-p opanediol by in eg a ing bio ans o ma ion and ca aly ic dehyd a ion. G een
Chemis y, 2012, Vol. 14, p. 1942-1948.
2. E. de Jong and G. Jungmeie . Indus ial Bio e ine ies & Whi e Bio echnology. 2015. p.
3-33.
3. B. Kamm, M. Kamm. P inciples o bio e ine ies. Applied Mic obiology and
Bio echnology, 2004, Vol. 64, p. 137-145.
4. Di e ses o og a ies ex e es del domini públic de Wikipedia. [En línia].
h p://www.wikipedia.o g. Consul a desemb e 2016.
5. M. Ringp eil. Biobased Indus ial P oduc s and Bio e ine y Sys ems–Indus ielle
Zukun des 21. 2002.
6. Nes e Oil. Nes e Renewable Diesel (NEXBTL). [En línia]. h ps://www.nes e.com/en/
companies/p oduc s/ uels/nes e- u u a-diesel. Consul a No emb e 2016.
7. A. R. Womac, C. Iga hina hane, P. Bi a, P. Miu, T. Yang, S. Sokhansanj, S.
Na ayan. Biomas P e-P ocessing Size Reduc ion wi h ins umen ed Mills.
Minneapolis 2007. ASABE Annual In e na ional Mee ing.
8. Johan Sande s. Bio e ine y, he b idge be ween Ag icul u e and Chemis y.
Gen 2005. In e na ional Con e ence on Renewable Resou ces & Bio e ine ies.
9. Joseph J. Bozell and Gene R. Pe e sen. Technology de elopmen o he p oduc ion
o biobased p oduc s om bio e ine y ca bohyd a es. G een Chemis y, 2010, Vol. 12, p.
525-728.
10. Ma k R. Wilkins and Hasan K. A iyeh. Food and Indus ial Biop oduc s and
biop ocessing. S illwa e , Wiley-Blackwell, 2012. p. 195-199.
11. M. J. Wai es, N. L. Mo gan, J. S. Rockey, G. Hig on. Indus ial Mic obiology: An
in oduc ion. London, Blackwell Science, 2010.
12. And eas Liese and Mu illo Villela Filho. P oduc ion o ine chemicals using
bioca alysis. Cu en Opinion in Bio echnology, 1999, Vol. 10, p. 595-603.
13. A hu I. A onson and Yechiel Shai. Why Bacillus hu ingiensis insec icidal oxins
a e so e ec i e: unique ea u es o hei mode o ac ion. FEMS Mic obiology le e s, 2001,
98 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Vol. 195, p. 1-8.
14. H. S a s ad, H. C. Bugge and S. S. Dhillion. F om No way o No a is: Cyclospo in
om Tolypocladium in la um in an open access biop ospec ing egime. Biodi e si y and
Conse a ion, 2000, Vol. 9, p. 1521-1541.
15. D. Dobie and J. G ay. Fusidic acid esis ance in S aphylococcus au eus. A chi es o
Disease in Childhood, 2004, Vol. 89, p. 74-77.
16. Wo ld Heal h O ganiza ion. Labo a o y biosa e y manual. Gineb a. Wo ld Heal h
O ganiza ion publica ions, 2004.
17. F. Molina i, R. Gandol i, R. Villa, E. U ban and A. Kiene . Enan ioselec i e
oxida ion o p ochi al 2-me hyl-1,3-p opandiol by Ace obac e pas eu ianus. Te ahed on:
Asymme y, 2003, Vol. 14, p. 2041-2043.
18. R. León, D. M. F. P aze es, P. Fe nandes, F. Molina i and J. M. S. Cab al. A
Mul iphasic Hollow Fibe Reac o o he Whole-Cell Biocon e sion o 2-Me hyl-1,3-
p opanediol o (R)-β-Hyd oxyisobu y ic Acid. Bio echnology P og ess, 2001, Vol. 17, p.
468-473.
19. Hi omichi Oh a, Ha suki Te sukawa, and Naoko No o. Enan io opically Selec i e
Oxida ion o alpha,omega-Diols wi h he Enzyme Sys ems o Mic oo ganisms. The
Jou nal o O ganic Chemis y, 1982, Vol. 47, p. 2400-2404.
20. A. Gup a, V. K. Singh, G. N. Qazi and A. Kuma . Gluconobac e oxydans: I s
Bio echnological Applica ions. Jou nal o Molecula Mic obiology and Bio echnology,
2001, Vol. 3, p. 445-456.
21. Kenne h C. Fugelsang. Wine Mic obiology. F esno. Sp inge Science+Business
Media Do d ech , 1997.
22. Sue Macauley, B ian McNeil, and Linda M. Ha ey. The Genus Gluconobac e and
i s Applica ions in Bio echnology. C i ical Re iews in Bio echnology, 2001, Vol. 21, p. 1-
25.
23. W. Olij e and J. J. Kok. An Analysis o he G ow h o Gluconobac e oxydans in
Chemos a Cul u es. A chi es o Mic obiology, 1979, Vol. 121, p. 291-297.
24. P. F. S anbu y, A. Whi ake and S. J. Hall. P inciples o Fe men a ion Technology.
Bu ling on. Bu e wo h and Heinemann, 2003.
25. Jacques Monod. The G ow h o Bac e ial Cul u es. Annual Re iew o Mic obiology,
1949, Vol. 3, p. 371-394.
Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 99
26. Vic o H. Edwa ds. The In luence o High Subs a e Concen a ions on Mic obial
Kine ics. Bio echnology and Bioenginee ing, 1970, Vol. 12, p. 679-712.
27. A. N. Collins, G. N. Sheld ake and J. C osby. Chi al y in Indus y: The comme cial
Mannu ac u e and Applica ions o Op ically Ac i e Compounds. Manches e . John Wiley &
Sons, 1992.
28. William G. Robinson, Roy Nagle, Bimal K. Bachhawa , Floyd P. Kupiecki, and
Mino J. Coon. Coenzyme a hiol es e s o isobu y ic, me hac ylic and be ha-
hyd oxyisobu y ic acids as in e media es in he enzyma ic deg ada ion o aline. The
Jou nal o Biological Chemis y, 1957, Vol. 224, p. 1-11.
29. M Midland, N Nguyen. Asymme ic Syn hesis o y-Lac ones. A Facile Syn hesis o
he Sex Phe omone o he Japanese Bee le. Jou nal o O ganic Chemis y, 1981, Vol. 46,
p. 4107-4108.
30. Wilson H. De Camp. The FDA Pe spec i e on he De elopmen o S e eoisome s.
Chi al y, 1989, Vol. 1, p. 2-6.
31. Lo ing Coes, J . Manu ac u e o me hac ylic acid. Du Pon . Es a s Uni s.
US2379625. 3-07-1945.
32. William G. Robinson and Mino J. Coon. Syn hesis o Malonic Semialdehyde, B-
Hyd oxyp opiona e and B-Hyd oxyisobu y a e. Me hods in ezimology, 1963, Vol. 6, p.
549-553.
33. William Choy, Philip Ma and Sa o u Masamune. Enan ioselec i e syn hesis o b-
hyd oxyisobu y ic acid: a use ul syn hon in he syn hesis o polyp opiona e- ype na u al
p oduc s. Te ahed on Le e s, 1981, Vol. 22, p. 3555 - 3556.
34. Cha les T. Goodhue and James R. Schae e . P epa a ion o L (+) P-
Hyd oxyisobu y ic Acid by Bac e ial Oxida ion o Isobu y ic Acid. Bio echnology and
bioenginee ing, 1971, Vol. 13, p. 203-214.
35. J. Hasegawa, M. Ogu a, S. Hamaguchi, M. Shimazaki, H. Kawaha ada, and K.
Wa anabe. S e eospeci ic con e sion o isobu y ic acid o D-be ha-hyd oxyisobu y ic acid
by mic oo ganism. Jou nal o e men a i e echnology, 1981, Vol. 59, p. 203-208.
36. Y. Lee, W. K. Hong, Y. B. Hwang, C. H. Kim, E. S. Choi,S. K. Rhee and Y. H. Pa k.
P oduc ion o D-β-Hyd oxyisobu y ic Acid om Isobu y ic Acid by Candida ugosa.
Fe men a ion and bioenginee ing, 1996, Vol. 81, p. 79-82.
37. C. H. Kim, W. K. Hong , I. Y. Lee , E. S. Choi, S. K. Rhee. Enhanced p oduc ion o
D-β-hyd oxyisobu y ic acid h ough s ain imp o emen . Jou nal o Bio echnology, 1999,
100 Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic
Vol. 69, p. 75-79.
38. I. Y. Lee, C. H. Kim, B. K. Yeon, W. K. Hong, E. S. Choi, S. K. Rhee, Y. H. Pa k, D.
H. Sung, W. H. Baek. High p oduc ion o D-β-hyd oxyisobu y ic acid om me hac ylic
acid by Candida ugosa and i s mu an . Biop ocess Enginee ing, 1997, Vol. 16, p. 247-
252.
39. Hi omichi Oh a and Ha suki Te sukawa. Enan io opically selec i e oxida ion o 1,3-
diols wi h a mic oo ganism. Chemis y Le e s, Vol. 8, 1979, p. 1379-1380.
40. M. Shimazaki, J. Hasegawa, K. Kan, K. Nomu a, Y. Nose, H. Kondo, T. Ohashi
and K. Wa anabe. Syn hesis o Cap op il s a ing om an Op ically Ac i e β-Hyd oxy
Acid. Chemical and Pha maceu ical Bulle in, 1982, Vol. 30, p. 3139-3146.
41. D. A. E ans, C. E. Sacks, W. A. Kleschick and T. R. Tabe . Polye he An ibio ics
Syn hesis. To al Syn hesis and Absolu e Con igu a ion o he Ionopho e A-23187. Jou nal
o Ame ican Chemical Socie y, 1979, Vol. 101, p. 6789-6791.
42. N. Cohen, W. F. Eichel, R. J. Lop es i, C. Neukom, and G. Saucy. Syn he ic
S udies on (2R,4'R,8'R)-α-Tocophe ol. An App oach U ilizing Side Chain Syn hons o
Mic obiological O igin. Jou nal o O ganic Chemis y, 1976, Vol. 41, p. 3505.
43. Qui ico B anca and Albe Fischli. A chi al economic syn hesis o (R)- and (S)-
muscone using he cyclo agmen a ion o epoxysul ones. Hel e ica Chimica Ac a, 1977,
Vol. 60, p. 925-944.
44. Robe Wilczynski and Jamie Je ick Julie e. Me hac ylic Acid and De i a i es.
Ki k-O hme Encyclopedia o Chemical Technology. John Wiley & Sons, 2003.
45. William Baue , J . Me hac ylic Acid and De i a i es. Ullmann's Encyclopedia o
Indus ial Chemis y. Weinheim. Wiley-VCH, 2005.
46. Uni e si a de Ba celona. Apun s Enginye ia Bioquímica i Bio ecnologia. Ba celona,
2016.
47. TEESING. [En línia]. h ps://www. eesing.com/en/page/p oduc -in o ma ion/ il e s/
spa ge s. Consul a Gene 2017.
48. E. M. T. El-Mansi, C. F. A. B yce, B. Dahhou, S. Sanchez, A. L. Demain and A. R.
Allman. Fe men a ion Mic obiology and Bio echnology. Boca Ra on. Taylo & F ancis
G oup, 2012.
49. J. De Ley and K. Ke s e s. Oxida ion o Alipha ic Glycols by Ace ic Acid Bac e ia.
Bac e iological Re iews, 1964, Vol. 28, p. 164-180.

Disseny d’un bio eac o pe a p odui àcid 3-hid òxid-2-me ilp opanoic 101
50. E. B. Chain, S. Paladino, D. S. Callow, F. Ugolini and J. Van de Sluis. S udies on
ae a ion-I. Bulle in o Wo ld Heal h O ganiza ion, 1952, Vol. 6, p. 73-97.
51. Mo co po a ion. Bio-Fe men a ion S udy. Mo Labo a o y Tes Repo . Fa ming on.
[En línia]. h p://mo co p.com/p oduc s/bio e men a ion-spa ge . Consul a Desemb e
2016.
52. Ku Eye . De elopmen o an Indus ial Bio echnologyl P oces. [En línia].
h p://moodle.ep l.ch/plugin ile.php/1519946/cou se/o e iew iles/ScaleUP.pd ? o cedown
load=1. Consul a Desemb e 2016.
53. Dynamix Agi a o s INC. [En línia] h p://www.dynamixinc.com/ba led-by-ba les.
Consul a Desemb e 2016.
54. Ryan Z. Da is. Design and Scale-Up o P oduc ion Scale S i ed Tank Fe men o s.
U ah S a e Uni e si y, Logan, 2010.
55. Paulo Rogé io Meneses de Sousa. Escalonamen o de anques condicionado es
u ilizados na lo ação de apa i a. Escola Poli écnica da Uni e sidade de São Paulo. São
Paulo, 2010.
56. A. W. Nienow and M. D. Lilly. Powe D awn by Mul iple Impelle s in Spa ged
Agi a ed Vessels. Bio echnology and Bioenginee ing, 1979, Vol. 21, p. 2341-2345.
57. Pie o M. A menan e and Gwo-Ming Chang. Powe Consump ion in Agi a ed
Vessels P o ided wi h. Indus ial and Enginee ing Chemis y Resea ch, 1998, Vol. 37, p.
284-291.
58. James A. Muelle , William C. Boyle and H. Johannes Pöpel. Ae a ion: P inciples
and P ac ice. Boca Ra on. CRC P ess, 2002.
59. Sigma-Ald ich Co po a ion. [En línia] h p://www.sigmaald ich.com/ca alog/p oduc
/ald ich/z672998?lang=es®ion=ES. Consul a Gene 2017.
60. O icina Ca alana del Can i Climà ic. Guia p àc ica pe al càlcul d’emissions de
gasos amb e ec e d’hi e nacle (GEH). [En línea]. h p://can iclima ic.genca .ca /web
/.con en /home/ edueix_emissions/guia_de_calcul_demissions_de_co2/160411_Guia-
p ac ica-calcul-emissions_sense-can is_CA.pd . Consul a Gene 2017.