cinÉtica y estequiometria de cÉlulas...una población microbiana que se encuentre en un medio...

CINCINÉÉTICA Y TICA Y ESTEQUIOMETRIA DE ESTEQUIOMETRIA DE

CCÉÉLULASLULASUnidad 4Unidad 4

CEBI_E9 Sandra Guerrero

Crecimiento de células en cultivos discontinuos. Factores que afectan la velocidad de crecimiento. Definición de la velocidad específica de crecimiento de células y de formación de productos extracelulares. Expresiones cinéticas para describir la velocidad de crecimiento balanceado. Clasificación de modelos cinéticos. Modelos cinéticos no-estructurados. Expresión de Monod y otras expresiones cinéticas de modelos no-estructurados. Modelos estructurados. Modelos estadísticos. Estequiometría de procesos con crecimiento de células. Elección y optimización del medio de cultivo. Elección y optimización de las condiciones de cultivo. Cultivos mixtos. Interacciones entre especies. Competición y selección en un quimiostato. Problemas de producción debido a cultivos mixtos.

CrecimientoCrecimiento de cde céélulaslulas

Crecimiento implica un aumento ordenado de todos los componentes de un organismo y

no solamente de alguno de ellos.

En organismos unicelulares el crecimiento conduce a un aumento en el número de

células más que un aumento en el tamaño celular


CultivoCultivo de los de los microorganismosmicroorganismos

– En la naturaleza - los microorganismos usualmente existen en biofilms - grupos de diferentes microorganismos organizados en capas sobre una superficie - cooperatividad, competencia

– En el laboratorio, organismos estudiados como cultivos puros crecidos con abundancia de nutrientes a muy altas densidades (cultivo estático o continuo)


CrecimientoCrecimiento de de ccéélulaslulas en en cultivoscultivos discontinuosdiscontinuos(batch(batch))


CrecimientoCrecimiento en en cultivocultivo discontinuodiscontinuo (batch(batch))

• Fase lag Es la fase de adaptación al medio, existe aumento de la masa celular pero no hay aumento en el número de células. Las células se adaptan al nuevoambiente, aun no se dividen

– Se puede minimizar con inóculos frescos y de mayor tamaño– Se incrementa cuando se utilizan varias fuentes de carbono

• Fase exponencial (log) - velocidad máxima de crecimiento bajo condicionesparticulares, tiempo de generación mínimo

• Fase de desaceleración: existe un crecimiento desbalanceado, las célulasdeben readaptarse.

• Fase estacionaria - sin crecimiento neto, vc=0 ó estadísticamente = 0cuando: vc=vm (vel. crecimiento es igual a la de muerte)

– nutrientes limitantes, pero suficientes para mantener actividad– acumulación de desechos, inhibición del crecimiento

• Fase de muerte - velocidad de muerte celular > velocidad de división celular

Luego de la adición de bacterias al medio líquido fresco se observa la siguientecinética de crecimiento


CinCinéética De Crecimiento En Cultivo tica De Crecimiento En Cultivo BatchBatch

desaceleración



Una población microbiana que se encuentre en un medio adecuado en el que se mantienen constantes todos sus parámetros nutricionales y ambientales, crece de forma tal que el incremento por unidad de tiempo de masa celular es un valor constante y similar en cada casoTambién se puede decir que el N° de células, la masa celular u otros componentes se duplican en un mismo lapso de tiempo determinado.

Este tipo de crecimiento se denomina balanceado o equilibrado. Se caracteriza, pues, por ser el crecimiento en el que:

Todos los constituyentes celulares se duplican en un mismo tiempo

Aquel en el que estos constituyentes aumentan proporcionalmente por un mismo factor en la unidad de tiempo. Este factor es el coeficiente exponencial de crecimiento (m), que es característico para cada cepa bacteriana en cada medio determinado

Crecimiento balanceadoCrecimiento balanceado

Crecimiento balanceadoCrecimiento balanceado

Se manifiesta en la fase exponencial de crecimiento

Todos los individuos de la población microbiana crecen a igual velocidad

La cinética es equivalente si se mide en UFC ó masa celular

Como la [sustrato] es elevada , la velocidad de crecimiento es independiente de la misma

XdtdX

netμ=gnet ≅μμ00 == taXX

tXX

netμ=0

ln

( )tXX netμexp0=

El tiempo de duplicación requerido será

netnetd μμ

τ 693.02ln==X=2X0


Velocidades de crecimiento de Velocidades de crecimiento de microorganismos y cmicroorganismos y céélulaslulas

Cultivo µnet (h-1)tiempo de

duplicación (h)

bacterias 0,6-1,4

0,2-0,6

0,01-0,04

0,007-0,03

0,5-1,15

levaduras y hongos

filamentosos1,15-3,0

células animales 17-70

células vegetales 23-100

duplicnet

duplicnet0

0

net0

t2ln

tXX2ln

tXXln

=

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

μ

μ

μ


Crecimiento no balanceadoCrecimiento no balanceado

Se manifiesta en la fase estacionaria de crecimiento

Los individuos de la población microbiana no crecen a igual velocidad

Agotamiento de nutrientes y/o

Presencia de toxinas inhibidoras (prod. de etanol x lev)

las células son aún metabólicamente activas y producen metabolitos secundarios no relacionados al crecimiento

gnet ≠μμ dg k−net=μμ μnet= 0

Durante la fase estacionaria pueden tener lugar uno o más de los siguientes fenómenos:1.La concentración total de células puede ser constante, pero el número de células viables disminuye.2. Puede haber lisis de la materia celular y puede bajar el numero de células viables. Puede ocurrir una fase secundaria de crecimiento (crecimiento críptico), basado en las células lisadas(sustrato alternativo).3. Las células puede que no crezcan pero tienen un metabolismo activo para producir metabolitos secundarios.


En la fase estacionaria, los microorganismos suelen adaptarse En la fase estacionaria, los microorganismos suelen adaptarse a la falta a la falta de nutrientes (condicide nutrientes (condicióón de n de starvationstarvation): supervivencia prolongada, ): supervivencia prolongada, incremento en la resistencia a condiciones de stress (salino, tincremento en la resistencia a condiciones de stress (salino, téérmico, rmico, oxidativooxidativo, osm, osmóótico), etc. Hay expresitico), etc. Hay expresióón diferencial de genes al entrar al n diferencial de genes al entrar al estado estacionarioestado estacionario

Algunas cAlgunas céélulas pierden la capacidad de reproducirse, pero se lulas pierden la capacidad de reproducirse, pero se mantienen viables (mantienen viables (viablesviables no cultivables)no cultivables)

ENERGENERGÍÍA DE MANTENIMIENTOA DE MANTENIMIENTO

La célula debe gastar energía en forma permanente para mantener su membrana energizada y para transportar los nutrientes para realizar las funciones metabólicas esenciales y reparar las estructuras celulares.


Crecimiento no balanceadoCrecimiento no balanceado

El final de la fase estacionaria se produce por agotamiento denutrientes o por acumulación de sustancias tóxicas. Muerte

Xs : conc de células al final de la fase estacionariakd’ : cte de muerte (h-1)

Xkdt

dXd '−=

( )tkXX dS 'exp −=


Factores que afectan la velocidad Factores que afectan la velocidad de crecimientode crecimiento


TEMPERATURATEMPERATURARelación temperatura-velocidad de crecimiento (ecuación

de Arrhenius)

μg= Ae –(Ea/RT)

donde μg= velocidad de crecimientoA = constante de ArrheniusEa = energía de Activación (kcal/mol)R = constante de los gasesT = Temperatura absoluta

Temperaturas cardinales : mínima, máxima y óptima

Energía de activación para el crecimiento microbiano.

MUERTE CELULARkd= Ad e-E

d/RT

Ed ≅ 60-80 kcal/mol


• Psicrófilos - rango: < 0-20°C, óptimo < 15oC– organismos marinos, algas: Chlamydomonas nivalis (nieve rosada),

bacterias: Pseudomonas, Flavobacterium– membrana contiene alto % de ácidos grasos insaturados

• Psicrótrofos o psicrófilos facultativos- rango: 0-35°C, óptimo 20-30oC– Pseudomonas - crecen en el refrigerador

• Mesófilos - rango: 15-45° C, óptimo: 30-40°C– la mayoría de los microorganismos (del suelo, aguas, patógenos)

• Termófilos - rango: 40-70°C, óptimo de 55-65oC– membrana contiene alto % de ácidos grasos saturados– enzimas estables al calor– Bacillus stearothermophilus, organismos de compostaje

• Hipertermófilos - rango: 80-113°C, óptimo > 90oC– Pyrococcus, Pyrodictium (aguas termales)

CLASIFICACICLASIFICACIÓÓNN


CLASIFICACICLASIFICACIÓÓNN


Efecto de la temperatura sobre μm y Yx/s de un cultivo aeróbico en

glucosa (A. aerogenes )

Mayor gasto por mantenimiento

T>ToptCEBI_E9 Sandra Guerrero

OOxxíígenogenoClasificación de los microorganismos según

el efecto del oxígeno:⇒Aerobios

→ObligadosObligados: requieren oxígeno (21% o más)Ej. Bacillus, hongos, etc.

→MicroaerofMicroaerofííloslos: lo requieren pero a niveles menores que el atmosférico (5-10%)

Ej. Azospirillum; Lactobacilos⇒Anaerobios

→FacultativosFacultativos: no requieren oxígeno, pero el desarrollo es mejor con oxígeno.

Ej. Levaduras, E. coli→AerotolerantesAerotolerantes: no son sensibles al oxígeno (crecen en ausencia o

presencia de oxígeno). Ej. Enterococcus faecalis, Sreptococcus spp.

→ObligadosObligados: no toleran el oxígeno, muere en su presencia

Ej. Methanobacterium, Clostridium

.


http://images.google.com.ar/imgres?imgurl=http://disfrutasilencio.files.wordpress.com/2008/04/pig-listeria7.gif&imgrefurl=http://disfrutasilencio.wordpress.com/2008/04/24/65/&usg=__lv3YFBoqkcmP0ZHr1cDyR8Wt5pA=&h=289&w=410&sz=67&hl=es&start=9&tbnid=1ZbLp6yo3NpvQM:&tbnh=88&tbnw=125&prev=/images%3Fq%3Dlisteria%26gbv%3D2%26hl%3Des%26sa%3DG

http://images.google.com.ar/imgres?imgurl=http://html.rincondelvago.com/000204960.jpg&imgrefurl=http://html.rincondelvago.com/microbiologia_2.html&usg=__a9YrB1RSH8KphEsgMJzKLRJdtGg=&h=400&w=500&sz=23&hl=es&start=6&tbnid=dxuhk6Rkn63sQM:&tbnh=104&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3Dcocos%2By%2Bbacilos%26gbv%3D2%26hl%3Des


OOxxíígenogeno

Otros gases

N2 componente principal de de la atmósfera (78%). Gas inerte: no es usado por la mayoría de los organismos, los que pueden reducir el triple enlace del N2con la enzima nitrogenasa se denominan diazotrofos o fijadores de N2 y pueden desarrollarse en ambientes sin N-combinado

CO tóxico para la mayoría de los organismos (cadena respiratoria)puede ser oxidado a CO2 por algunos microorganismos

CH4 liberado a la atmósfera por microorganismos metanogénicos, gas con efecto invernadero, puede ser oxidado a CO2 por bacterias metanotróficas

CO2 importante gas, fuente de carbono para los autotrofos, aerobios y anaerobios, fotosintéticos o quimiosintéticos. Muchos hongos lo requieren a niveles superiores a los atmósfericos, para ciertas síntesis

H2 poco usado, tóxico para la mayoría de los microorganismos, brinda energía a bacterias Hydrogenomonas: H2+O2 = H20 + ATP


TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN PROCESOS FERMENTATIVOS

• Oxigeno es un nutriente gaseoso y poco soluble• solubilidad es afectada por:

la temperatura la presión parcial del gas (Pg)otros solutos (ej. sales)

Solucion de un gas en un liquido:

LEY DE HENRY —> CL = H . pO2

(mg/L) (mg/L.atm) (atm)

Cuando pO2 = 0.21 atm y H = 38.8 mg/ L.atm (25º) ==> CL = 8 mg/L


* VELOCIDAD DE CONSUMO, DEMANDA O “UPTAKE RATE” (OUR)

* VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA O “TRANSFER RATE” (OTR)

EN EL TRANSCURSO DE LA FERMENTACION , OTR DEBE SATISFACER LA OUR ==> TRANSFERENCIA ≥ DEMANDA

– SI TRANSFERENCIA ‹ DEMANDA ⇒ LIMITACION DE OXIGENO

– SI TRANSFERENCIA > DEMANDA ⇒ SE GASTA ENERGIA EN EXCESO

CUANDO EL OXIGENO SE CONVIERTE EN UN NUTRIENTE LIMITANTE, LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES DEPENDERA DE LA CONCENTRACION DE OXIGENO DISUELTO.


Calculo de la Demanda

Si el sustrato limitante es el O2 ⇒

Velocidad especifica de consumo de oxigeno o demanda especifica (mmol ó mg O2/ g.h)

• Velocidad de Demanda total

Cuando se grafica la velocidad de consumo en funcion de la concentracion de oxigeno disuelto:

[ ][ ]2

2max22

L

OKsOqOqO

dtdC

X1

+==

limitacion de oxigeno

qO2

[O2]critica

qO2 max

[O2]

2L qO.X

dtdC

=⇒

Región limitante de O2


CARACTERISTICAS DE LA DEMANDA

1- La demanda varia a lo largo del tiempo : x = f (t), qO2 = f (t)

2- La demanda es proporcional al crecimiento

3- La demanda especifica o velocidad especifica de consumo de oxigeno depende de : la concentración de oxigeno disuelto [O2], la edad del cultivo, fase de crecimiento (qO2 es máxima cuando μ es máxima, es decir durante la fase exponencial) , tipo de cultivo, etc.

x=biomasa

qO2=demanda especifica

X.qO2 =demanda

tiempo


TRANSFERENCIA DE OXIGENO

Q u e o c u r r e d u r a n te e l t r a n s c u r s o d e u n a fe r m e n ta c io n ?

1 - E n a u s e n c ia d e m ic r o o rg a n is m o s .M ie n t r a s e l t a n q u e n o s e h a i n o c u la d o y e l c o n s u m o d e o x ig e n o e s n u lo , s et r a n s f i e re O 2 h a s ta q u e e l s i s te m a s e s a tu r a .

dCdt

K a C CLL L= −. ( * )

E n e s ta s c o n d ic io n e s , C L a u m e n t a p r o g r e s iv a m e n t e h a s t a q u e C L ≅ C * .C u a n d o C L = C * , e n to n c e s C * - C L = 0 , y l a t r a n s fe re n c ia s e h a c e n u la , p u e sc e s a la f u e r z a im p u ls o r a .2 - C u a n d o h a y u n c u l t i v o e n c r e c im ie n toC L s e m a n t i e n e b a jo , p u e s e l o x ig e n o q u e s e d i s u e l v e e n e l s e n o d e l l i q u id o e sin m e d ia ta m e n te c o n s u m id o p o r l o s m ic r o o r g a n is m o s . E l s i s te m a n o l l e g a as a tu r a r s e p u e s e n to d o m o m e n to C L < C * y l a f u e r z a im p u ls o r a e s > 0 .

C * C L

0

( )LLO CCakN −= *2

Donde kL =coef. de transf de masa de O2

a = área de transferencia gas líquido (cm2/cm3)NO2 = velocidad de transf de masa de oxigeno (mg/l-hr)C*= concentración de O2 saturadoCL=concentración de O2 en el medio

( )LLO CCakN −= *2

oxygen transference rate (OTR)


Homeostasis Homeostasis microbianamicrobiana

Cuando el medio en que se encuentra un microorganismo es perturbado, el microorganismo pone en marcha una serie de mecanismos que actúan para mantener las actividades fisiológicas y los parámetros fundamentales relativamente sin modificación, para continuar creciendo y sobrevivir.

Mecanismos homeostáticos activos (cél. vegetativas)La célula microbiana debe gastar energía para contrarrestar el estrés impuesto por el medio ambiente extremo (por ej. para sintetizar nuevos componentes, reparar componentes dañados, incrementar el transporte de moléculas específicas a través de las membranas celulares).

Mecanismos homeostáticos pasivos (esporas)Son parte de la constitución celular (antes de que el estrés sea impuesto) (“homeostasis refractaria”) y no requieren energía para operar (por ej., mecanismos construidos en la espora bacteriana durante su formación, que le permitirán resistir altas temperaturas y otros estreses extremos).

Mecanismos homeostáticos de poblaciónMantienen la población de m.o. en un dado nicho ecológico relativamente constante, aunque el medio esté cambiando, para excluir potenciales competidores (ej. excreción de ácidos y síntesis de agentes antimicrobianos naturales, tales como nisina y otras bacteriocinas, por bacterias lácticas para prevenir la invasión del nicho ecológico por otros m.o.).


El pH es la acidez o alcalinidad de una solución, medida por el log 1/(H+)ClasificaciClasificacióón de los microorganismos segn de los microorganismos segúún n

su pH su pH óóptimoptimo⇒NeutrNeutróófilofilo: pH óptimo 7 - Ej.: bacterias

patógenas humanas.⇒AcidAcidóófilofilo: pH óptimo < 7 - Ej.: muchas de

las archeobacterias y hongos.⇒AlcalAlcalóófilofilo: pH óptimo > 7 - Suelos y aguas

ricas en carbonatos

pH

RangosRangos de pH de pH externoexterno queque permitenpermiten el el crecimientocrecimientoBacterias 4,0 (1,0) 9,6 (11,0)

Levaduras 1,5 9,0

Hongos 1,6 11,1CEBI_E9 Sandra Guerrero

pHAcidos fuertes

Modo de acciónDesnaturalización de enzimas de la superficie celular y disminución del pHcitoplasmático por el pasaje de H+ a través de la membrana debido al gradiente de pH

Respuesta a la reducción de pHExpulsión de protones a través de la membrana celular y/o prevención de la entrada de H+ al citoplasma, para mantener el pHcitoplasmático mayor que el del medio y aproximadamente constante.

• disrupción de membrana• inhibición de reacciones metabólicas esenciales• estrés sobre la homeostasis de pH intracelular• acumulación de aniones tóxicos

El crecimiento se inhibe debido a un númerode acciones:

La forma no disociada del ácido permea a través de la membrana y debido al > pH celular la molécula se disocia, resultando en la acumulación de protones y de aniones adentro de la célula.

Acidos lipofílicos débilesModo de acción

Algunos m.o. degradan enzimáticamente el ácido débil (ej. degradación de ácido sórbico a pentadieno por ciertas especies fúngicas)

Expulsión de H+ (bomba de H+- ATPasa de membrana)

Algunos m.o. remueven de la célula los aniones acumulados (bomba de resistencia multidroga)

Alteración de la composición de la membrana para reducir el coeficiente de difusión del conservador a través de la membrana plasmática

Respuesta a la reducción de pH


pH

Mecanismo de acción del ácido en la célula

Acidos lipofílicos débiles

Modo de acción


Actividad de agua (aw)

• La aw del medio es la relación entre la presión de vapor de agua en el medio (P) y la del agua pura (Po) a la misma temperatura estando relacionada con el punto de congelación, humedad relativa, ebullición y presión osmótica.

aw = P/Po

ERH% = aw

Presión osmótica = -RT log e Aw / V

• Los microorganismos requieren de agua en forma disponiblepara crecer y llevar a cabo sus funciones metabólicas.

• La mayoría de las bacterias no pueden crecer a valores de aw

inferiores a 0.91, mientras que los hongos pueden crecer a valores inferiores a 0.80.

• Efectos de la aw sobre los microorganismos– Acumulación de prolina y glutamina– Acumulación de Alcohol – Acumulación de solutos y osmoreguladores (Hongos)


Actividad de agua (aW) a la cual crecen algunos microorganismos

GRUPOS aW

Bacterias G – 0,97Bacterias G + 0,90

Levaduras 0,88Hongos

filamentosos 0,80

Bacterias halófilas 0,75

Hongos xerófilos 0,61

Actividad de agua (aw)


Respuesta a la reducción de aw (“osmoregulación”)

Acumulación de “solutos compatibles” (por síntesis y/o por transporte activo desde el medio extracelular) para evitar la pérdida de agua y mantener el turgor de membrana.

Alteración de la composición de los lípidos de membrana para impedir el pasaje de la fase lamelar (o bicapa) a la fase no lamelar(hexagonal), que alteraría su permeabilidad y las interacciones lípido – proteína, influenciando actividades proteína – mediadas (ej. sistema de transporte, bombeo de iones, etc.).

Modo de acción

Reducción de la aw

Plasmólisis de la célula con pérdida del turgor de membrana.

Homeostasis activa –

CELULAS VEGETATIVAS


La actividad de aguamínima de crecimiento

de los microorganismos varía

de acuerdo a sucapacidad de

osmoregulación


Otros factores…

• Potencial redox: – Es un parámetro importante en reacciones de óxido reducción– Es la capacidad con la que un sustrato pierde o gana electrones– Cede = Reductor, Capta = Oxidante– Las sustancias del medio con estas propiedades favorecen el crecimiento de

aerobias y anaerobias respectivamente– Está en relación con el pH, la [O2]y la [sust.reduct] o [sust.oxid]

[mV]

– Se puede reducir por inyección de N2 (baja la OUR) o agregado de agentes reductores (cisteina, Na2S,etc)

– Se puede oxidar por agregado de O2 ó agentes oxidantes– Los lactobacilos y estreptococos requieren condiciones ligeramente reducidas

(microaerobios)– Los hongos y levaduras de los alimentos son aerobios y unos pocos

anaerobios facultativas.– Conforme crecen los aerobios se reduce el oxígeno y el E0, aumentando las

sustancias reductoras en el medio. Entre mas aumenta la basicidad reduce el E0.

[ ]+++= HFRTP

FRTEE O log3.2log

43.2'

200


CinCinéética de crecimiento tica de crecimiento microbianomicrobiano

Sustrato + células → productos + célulasextracelulares

Es una reacción auto catalítica

La velocidad de reacción depende de la concentración celular

Velocidad específica neta de crecimiento (h-1)

dtdX

Xnet1

≡μ

X = concentración de células (g/l)t = tiempo (h)

dtdN

NR1

≡μ

Alternativa:

N =Número de células (UFC/l)μR= velocidad específica neta de replicación

nXPXS +→+ ∑∑


μnet se define como la diferencia entre la velocidad de crecimiento (μg) y la velocidad de desaparición de biomasa (muerte celular ó metabolismo endógeno, kd)

dgnet k−= μμ

CUANTIFICACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE CÉLULAS

Es esencial para determinar la cinética y la estequiometría microbiana

Métodos de cuantificación

Se puede cuantificar Nro células/volumen

Masa celular/volumen (más frecuente)

•DIRECTOS•INDIRECTOS


CinCinéética de crecimiento tica de crecimiento microbianomicrobiano

COEFICIENTE DE MANTENIMIENTOCOEFICIENTE DE MANTENIMIENTO

Se usa para describir el consumo de substrato para el mantenimiento celular, y se define en la forma:

( )XdtdS

m m/−=

El mantenimiento celular es la energía usada para reparar los componentes celulares dañados, transferir nutrientes y productos dentro y fuera de las células, para la motilidad, para ajustar la osmolalidad del interior celular.

Dado que en el crecimiento microbiano la formación de producto y la utilización de substrato son auto catalíticos, siempre se divide por X para normalizar

Si no se dispone de S, el mantenimiento inducirá pérdida de masa celular (metabolismo endógeno)


CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE PRODUCTOS MICROBIANOSN DE PRODUCTOS MICROBIANOS

1. Productos asociados con el crecimiento. Es decir, la velocidad especifica de formación de producto es proporcional a la velocidad especifica de crecimiento μg

2. Productos no asociados al crecimiento . Eso ocurre cuando los productos se forman en la fase estacionaria durante la cual la velocidad de crecimiento de células es igual a cero. La velocidad especifica de formación de producto es constante (metabolitos secundarios, p.e. penicilina)

3. Formación de producto mixta . O sea, se produce durante el crecimiento y durante la fase estacionaria.

p.e., fermentación láctica, goma xantano. Si α = 0, el producto no esta asociado al crecimiento

Si β = 0, el producto esta asociado al crecimiento y α = YP/x

gXPP YdtdP

Xq μ/

1==

constqP == β

βαμ += gPq

Multiplicando por dX/dX


(a) Asociado al crecimiento(b) Semiasociado al crecimiento(c) No asociado al crecimiento


CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE PRODUCTOS MICROBIANOSN DE PRODUCTOS MICROBIANOS

El crecimiento de los microorganismos se puede ver desde varias perspectivas y con distinta complejidad

Se puede distinguir entre las cSe puede distinguir entre las céélulas individualeslulas individuales– Modelos segregados

– Cuando la población se segrega en células individuales que son distintas unas a otras en términos de alguna característica distinguible

– Modelos no segregados» considera a la población como un todo, como una biofase, la cual

interacciona con sus alrededores y puede verse como una especie en solución . La concentración de células se puede expresar como una única variable

Se pueden examinar las reacciones dentro de la cSe pueden examinar las reacciones dentro de la céélulalula– Modelos estructurados

» consideran a las reacciones o a los grupos de reacciones que ocurren dentro de la célula . La biomasa se divide en un cierto numero de componentes, p.e. DNA, RNA, proteínas, etc, y se describen las reacciones que tienen lugar entre estos componentes

– Modelos no estructurados» ven a la célula como una entidad en solución que interacciona con su

entorno

Seleccionar el modelo más simple y que represente adecuadamente al sistema de interés


MODELOS CINMODELOS CINÉÉTICOSTICOS

ESTRUCTURADONO ESTRUCTURADO

NO SEGREGADO

SEGREGADO

A

AA

B

B

B



• Es uno de los modelos más simples y fue propuesto por Monod en 1950. Ajusta a una amplia gama de resultados experimentales

• Se supone que hay un solo sustrato que es limitante y que controla la velocidad de crecimiento de biomasa

• Si hay más de un sustrato limitante se diseña con el que da la mínima μg

• Parámetros:• μm: velocidad máxima de crecimiento

– Corresponde a la máxima velocidad de crecimiento μg=μm cuando S>>Ks

KS : constante de saturación– Corresponde a la concentración de sustrato

correspondiente a la mitad de la velocidad máximaμg=0,5 μm cuando S= Ks

– Da una idea de la afinidad que tiene el microorganismo por el sustrato en cuestión.

– A menor KS mayor afinidad– En general KS tiene valores muy bajos, del orden

de los mg/l– concentraciones relativamente bajas de S son

suficientes para hacer que μ=μm.

Modelo de Monod

Michaelis-Menten


Modelos de crecimiento controlados por sustrato

gSK

S

S

mg +

=μ

μ


Cálculo de μm y KsVelocidad específica de crecimiento en función de la concentración de sustrato ( recíproca).

El cálculo de KS y μmax es posible estimarlo reordenando la ecuación 9 de Monod según Lineweaver-Burk

1 = KS + 1 μ μmax s μmax

de tal manera que graficando 1/μ vs. 1/s se obtiene una recta cuya pendiente es KS/ μmax y la intersección en el eje x es igual a -1/KS y la intersección en el eje y es igual a μmax . Otra modificación fue realizada por Langmuir,

s = KS + s μ μmax μmax

g

g


…Modelo de Monod

• Ajusta bien para cultivos con μg y [células] donde las condiciones ambientales se describen mejor para [sustrato]

• Cultivos concentrados: si el consumo del sustrato fuente de carbono es rápido, la liberación de productos tóxicos será determinante en la velocidad de la reacción:

• Otras expresiones semi-empiricas ajustables de acuerdo a la forma de la curva de crecimiento:

• Ecuación de Blackman

• Ecuación de Moser

SSKSm

g +=

00

μμ

SSKKS

S

mg ++

=001

μμó

S0: [S] inicial

K0; K

S1:adimensionales

KSifmg 2, ≥= μμ s KSifSK S

mg

2,2

<=μ

μ s

μμ =

+= n

S

nm

g SKS

n ≥ 1


Modelos cinéticos- Inhibición

• Inhibición por sustrato• Inhibición por producto• Inhibición por productos tóxicos

Competitiva

No competitiva

acompetitiva


Representación directaInhibición competitiva

s0 20 40 60 80 100 120

v

0

20

40

60

80

100

120

μg

1/s-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

1/v

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

-1/Ks

-1/(Ks(1 + [I]/K1))

1/μmax

Inhibición competitiva

1/μg

SKSK

S

S

mg

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

11

μμ

I SKSK

S

S

mg

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

11

μμ

I SKSK

S

S

mg

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

11

μμ

I I= inhibidor ; I= inhibidor ; sustrato; sustrato; productoproducto

•Un exceso de sustrato inhibe la reacción de formación de biomasa

•Un producto tóxico que compita con el sustrato pero que no genere biomasa

•Cambia Ks y se mantiene μmax


I= inhibidor ; sustrato; producto

Inhibición no competitiva

1/μg

μmax

1/μ´max

-1/Ks

•Ks no se altera

•μmax disminuye

Ejemplo: Producción de etanol (>5%) por levaduras a partir de glucosa


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=

111

KS

SK S

mg

μμ

I

Inhibición acompetitiva

Tanto la μmax como la Ksdisminuyen, lo que se manifiesta en la representación de dobles inversos como rectas paralelasLa reducción en μmax es mayor que en Ks por lo tanto el efecto neto es una reducción de la velocidad

0 1/[S]

Con I

Sin I1/μmax

1/μ´max

-1/Ks-1/Ks´

[ ]

[ ][ ][ ]SKS

S

KI1

K

S

KI1

S

max

1

S

1

max

g +′′

=+

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

=μ

μ

μ


EstequiometrEstequiometrííaa del crecimientodel crecimientoFormulaciFormulacióón del medio y factores de n del medio y factores de

rendimientorendimiento


M i c r o o r g a n i s m o s C é l u l a sv e g e t a l e s

C é l u l a sa n i m a l e s

F u e n t e d ec a r b o n o ye n e r g í a :

c a r b o h i d r a t o s ,á c i d o s o r g á n i c o s ,a lc o h o l e s ,h i d r o c a r b u r o s , e t c .

c a r b o h i d r a t o s . g lu c o s a

F u e n t e d en i t r ó g e n o

a m o n i os u p l e m e n t a d oc o m o ( N H 4 ) 2 S O 4e nm i c r o o r g a n i s m o s ,t a m b i é n e x t r a c t od e l e v a d u r a uo t r o s h i d r o l i z a d o s .

a m o n i os u p l e m e n t a d oc o m o ( N H 4 ) 2 S O 4 yK N O 3 .

a m i n o á c i d o s .s u e r o f e t a lb o v i n o

M a c r o e l e m e n t o s s a l e s d e f o s f a t o ,m a g n e s i o , p o t a s i o ,c a lc i o y s u l f a t o s .

s a l e s d e f o s f a t o ,m a g n e s i o , p o t a s i o ,c a lc i o y s u l f a t o s .

s a l e s d ef o s f a t o ,m a g n e s i o ,p o t a s i o , c a lc i oy s u l f a t o s .b i c a r b o n a t o d es o d i o

M i c r o e l e m e n t o s : s o n a q u e l l o s c o m oe l Z n , M n , F e , C u ,C o , C a y o t r o sm e n o s r e q u e r i d o sc o m o B , C r , M o ,e t c .

s o n a q u e l l o s c o m oe l Z n , M n , F e , C u ,C o , C a y o t r o sm e n o s r e q u e r i d o sc o m o B , C r , M o ,e t c .

s o n a q u e l l o sc o m o e l Z n ,M n , F e , C u ,C o , C a y o t r o sm e n o sr e q u e r i d o sc o m o B , C r ,M o , e t c .

F a c t o r e s d ec r e c im i e n t o :

v i t a m i n a s ,a m i n o á c i d o s , e t c .

v i t a m i n a s ,f i t o h o r m o n a s( a u x i n a s ,c i t o c i n i n a s ,g i b e r e l i n a s , e t c .

v i t a m i n a s ,h o r m o n a s , e t c

Composición medios de cultivos


Crecimiento Celular

Fuente de C + Fuente de N + O2 + minerales + nutrientes específicos Masa celular + Productos + CO2

+ H2O + Calor

biomasac CHαOβNδ

célula

sustratoCwHxOyNz

b O2

fuente de Na HgOhNi

d CO2

e H2O


Rendimiento de biomasaRendimiento de biomasa

• Yx/s: la cantidad de material celular producida por unidad de substrato consumido ( rendimiento de biomasa con respecto al substrato)

Yx/s = gramos de biomasa formados/gramo de substrato usado

• También se pueden definir rendimientos en base a gr C celular/gr C de sustrato o moles/mol.

• Los rendimientos se pueden calcular a partir de las reacciones estequiométricas.

• Inversamente, las ecuaciones estequiométricas se pueden formular conociendo los rendimientos.

El rendimiento de biomasa se ve afectado por una cantidad de factores como la composición del medio, la naturaleza de las fuentes de carbono y N, el pH y la temperatura.Es mayor en los cultivos aeróbicos que en los anaerobios.La elección del aceptor de electrones, es decir, O2, nitrato o sulfato, también puede tener un efecto significativo


DefiniciDefinicióón de rendimientosn de rendimientos

SXY SX Δ

Δ−=/

Rendimiento de células /sustrato consumido (g cel / g S)

••Es constante durante la fase exponencialEs constante durante la fase exponencial

•• Luego, pasa a ser Luego, pasa a ser Y x/sY x/s aparenteaparente porque el sustrato se emplea porque el sustrato se emplea para otros finespara otros fines

crecimenergiaextracelularproductobiomasa SSSSS energía mantenimΔ+Δ+Δ+Δ=Δ

OTROS RENDIMIENTOS

2/ 2 O

XY OX ΔΔ

−=SPY SP Δ

Δ−=/


Símbolo Definición Y X/S Gramo de biomasa seca por gramo de

sustrato consumido Y X/O Gramo de biomasa seca por gramo de

oxígeno consumido Y P/S Gramo de producto por gramo de

sustrato consumido Y CO2/S Moles de dióxido de carbono por

gramo de sustrato consumido

Y X/ATP Gramo de biomasa seca por mol de ATP formado durante el catabolismo del sustrato.(≅ 10-11 g/molATP)

YM X/S Máximo rendimiento de biomasa a

partir de sustrato (cuando el consumo para mantenimiento es despreciable).

Y CO2/ O2 Moles de anhídrido carbónico producido por mol de oxígeno consumido.

Otros Otros rendimientosrendimientos……


DATOS ELEMENTALES DE Candida utilis CRECIENDO EN DOS FUENTES DE CARBONO DIFERENTES

Para organismos que crecen aerobicamente en glucosa, Yx/s =~ 0.4 a 0.6 g/g

Yx/O2 ≅ 0.2 g/g

Yx/s =~ 1.0 +- 0.4 g de biomasa/g de C consumido.


GLUCOSA-ANAEROBICO

GLUCOSA-AEROBICO

El crecimiento anaerobio es menos eficiente y los rendimientos bajan


EstequiometríaLa estequiometría de una reacción química describe la cantidad exacta de cada reactivo que se necesita para formar un dado producto o productos.La reacción estequiométrica global observada es el resultado de dos reacciones distintas:

Una reacción de producción de energíaUna reacción de síntesis de masa celular

También puede haber una o más reacciones de producción de productosEn muchos casos se puede representar a un proceso de fermentación mediante una única pseudoreacción química.

Para glucosa:

C6H12O6 + 2.5 O2 + 0.7 NH3 ----3.5 CH1.4 O0.4 N0.2 + 2.5 CO2 + 4.6 H2O

Representa la cantidad de biomasa que se podría producir a partir de 1 mol de glucosaTiene en cuenta que la célula tiene que destinar parte del substrato a generar energía

C6H12O6 + 6 O2 ------ 6 CO2 + 6 H2O (- 120,11 kJ/mol e-)

Se ha determinado la estequiometría de otros sustratos y aceptores de electrones.( las bacterias que reducen a los sulfatos pueden usar el acetato)

Ec de generación de energía:CH3COOH + SO4H2 -- SH2 + 2 H2CO3 (- 6.36 kJ/mol e-)

Estequiometria global:CH3COOH + 0.915 H2SO4 + 0.034 NH3 -0.17 CH1.4O0.4N0.2 + 0.915 H2S + 1.83 CO2 + 1.93 H2O


Composición elemental % de E. coli

Elemento % peso secoC 50O 20N 14H 8P 3S 1K 1Na 1Ca 0.5Mg 0.5Cl 0.5Fe 0.2Otros 0.3

Fórmula elemental de algunos microorganismos

Microorganismo Sustratolimitante

FórmulaElemental

Aerobacter aerogenes glucosa CH1.78N0.24O0.33

Klebsiella aerogenes glicerol CH1.74N0.22O0.43

Candida utilis glucosa CH1.84N0.2O0.56

Candida utilis etanol CH1.84N0.2O0.55

S. cerevisiae glucosa CH1.70N0.17O0.46

S. cerevisiae Etanol CH1.83N0.56O0.17

Promedio CH1.79O0.50N0.20

Nutriente limitante: substrato cuyo consumo controla la velocidad y/o concentración de la biomasa producida.

Componentes minoritarios , no se tienen en cuenta para la formulación

92% de masa seca


Balance elementalBalance elemental

El coeficiente de respiración RQ, moles de CO2 producidos por moles de O2 consumidos, permite resolver estas 4 ecuaciones con 5 incógnitas y hallar el valor de los coeficientes a, b, c, d, e :

moles de CO2 producidos

moles de O2 consumidos== e

aRQ

Valores de RQS. cerevisiae = 1,033 (glucosa)

= 0,43 (hexadecano)

Si los únicos productos extracelulares son CO2 y H2O, el crecimiento aerobio se puede representar mediante:

Esta ecuación no incluye a una gran cantidad de compuestos tales como el ATP (adenosin trifosfato) y el NADH, que integran el metabolismo celular y que sufren cambios cíclicos en la célula, pero que no sufren cambios netos con el ambienteLas bacterias tienden a tener contenidos de N mayores (11- 14 %) que los hongos (6.3 – 9.0 %)Para algunas especies, la composición depende también de las condiciones de cultivo y del substrato

utilizados.

( )( )nm

S/X OHCPMNOCHPMc

Y δβα⋅=


EjemploDeterminación de los coeficientes estequiométricospara el crecimiento aerobio de Saccharomycescerevisiae sobre glucosa siendo la formula de biomasa CHCH1,7031,703OO0,4590,459NN0,1710,171

Glucosa + O2 + fuente de N2 Biomasa + CO2 + H2O

C6H12O6 + a O2 + b NH3 c CHxOyNz + d CO2 + e H2OBalancesBalances

C 6 = c + dH 12 + 3b = 1,703c + 2e

O : 6 + 2a = 0,459c + 2d + eN b = 0,171c

Cociente Respiratorio (RQ)moles de CO2 formados por mol de O2 consumido

RQ = d/a = 1,033

C6H12O6 + 3,942 O2 + 0,330 NH3

1,928 CH1,703O0,459N0,171 + 4,072 CO2 + 4,854 H2OCEBI_E9 Sandra Guerrero

Antes de calcular los coeficientes estequiométricos hay que estar seguro que el sustrato no se utiliza para hacer otros productos extracelularesotros productos extracelulares aparte del CO2 y H2O.El agua se encuentra en gran excesoEl agua se encuentra en gran exceso y sus cambios son difíciles de cuantificar, por lo cual se prefiere no usar los no usar los balances de O y H.balances de O y H.

Otra complicación de los cultivos reales es que parte del sustrato se usa para el mantenimiento celular (mantener el potencial de membrana, el pH interno, reparación de componentes celulares y movilidad celular) Esas funciones Esas funciones consumen sustrato pero no producen biomasaconsumen sustrato pero no producen biomasa.

Hay que distinguir entre rendimientos reales y aparentes, pues el gasto de mantenimiento depende de la condición metabólica

Algunos problemasAlgunos problemas


El balance de energía puede hacerse utilizando el concepto de grado de reducción.Grado de reducción (γγ ): Nro e- que son transferidos desde el compuesto a oxidar al O2,

tomando como base un C-mol. Expresa el Nro de e- disponibles/ C-mol. El valor de γ es una medida de la energía contenida en el compuesto.

Balance de electrones

El numero de electrones disponibles en los materiales orgánicos se calcula a partir de la valencia de sus elementos: 4 para el C, 1 para el H, -2 para el O, 5 para el P y 6 para el S.

El numero de electrones disponibles para el N depende del estado de referencia: -3 si la referencia es el NH3, y 0 (cero) si la referencia es el nitrógeno molecular N2 y 5 para los nitratos.

Para el sustrato CwHxOyNz, el numero de electrones disponibles/mol de compuesto es:(4w + x – 2y – 3z)

El grado de reducción γs del substrato (N°e-/C-mol) será entonces de:γs = (4w + x – 2y – 3z)/w

El valor de γ = 0 tanto para el CO2 como para el H2O y el NH3 (estados de referencia sin e-disponibles). Además el grado de reducción del O2 es -4.

Si en lugar de NH3 se hubiera elegido el N2 , la fórmula sería: γ = (4w + x - 2 y)/w


En una ecuación de crecimiento celular correctamente ajustada el numero de electrones disponibles se conserva, en virtud del hecho que las cantidades de cada elemento también se conservan.

Si se aplica esto a la ecuación de crecimiento aeróbico :

Cw Hx Oy + a O2 +b NH3 ------c CHαOβNδ + d CO2 + e H2O

se tiene: w.γs – 4.a = c .γβ

γs ; γβ son los grados de reducción del sustrato y la biomasa

El balance de electrones disponibles no es independiente del conjunto completo de balances elementales. Si la ecuación estequiométrica se ajusta en función de cada compuesto que contenga H y O, el balance se satisface implícitamente.

Balance de electrones


Grado de reducción de diferentes compuestos

Compuesto Molécula C-mol Reacción γ q (kcal/C-mol)

q/γ

Metano CH4 CH4 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 8 213.4 26.7

Etanol C2H6O CH3O0.5 CH3O0.5 + 3/2O2 CO2 + 3/2 H2O 6 163.8 27.3

Glucosa C6H12O6 CH2O CH2O + O2 CO2 + H2O 4 111.9 28.0

Acético C2H4O2 CH2O CH2O + O2 CO2 + H2O 4 104.8 26.2

Fórmico CH202 CH202 CH202 + 1/2O2 CO2 + H2O 2 61 30.5

Se plantea la ecuación de oxidación del mismo a CO2 y H2O, y el valor de γse obtiene multiplicando por 4 el coeficiente estequeométrico del O2. Si el compuesto contiene nitrógeno, deberá especificarse el grado de oxidación final del mismo (NH3 o N2).

Otra forma….


EjemploSe lleva a cabo una fermentación anaerobica con Clostridium acetobutylicumel cual convierte glucosa en acetona y butanol, junto con cantidades menores de butirato, acetato, etc.

En la fermentación se obtienen los siguientes productos por 100 moles de glucosa y 11.2 moles de NH3 como fuente de nitrógeno:

a)Haga un balance de carbono, nitrógeno, hidrogeno y oxigeno y determine la composición elemental de las células.

a)Encuentre el estado redox de la fermentación usando el concepto de balance de electrones disponibles.


Ejemplo

86,088,301,1646,4

2

2

622224228463104dcba36126

NOHC

86,0dNBalance88,3cOBalance01,16bHBalance

46,4a)2x7,0(221)14x2()4x4,0()3x22()4x56(13ax6x100

CBalanceOHC7,0H135CO221OHC14OHC4,0OHC22OHC56NOHC13NH2,11OHC100

=⇒=⇒

=⇒=

⇒++++++=

+++++++→+


a) Fórmula de la biomasa

b) Se debe realizar un balance de electrones disponibles y ver si la reacción esta equilibrada

Para un compuesto CwHxOyNz, el numero de electrones disponibles/mol de compuesto es igual a :

(4w + x – 2y – 3z) ó bien (γ CwHxOyNz w)

Compuesto N°e-/mol x coef reactivos productosC6H12O6 glu 24 100 2400NH3 amoniaco 0 11,2 0C4H10O butanol 24 56 1344C3H6O acetona 16 22 352C4H6O2 a.butírico 20 0,4 8C2H4O2 a.acético 8 14 112CO2 0 221 0H2 2 135 270C2H6O etanol 12 0,7 8,4C4,66H16,01O3,88N0,86 23,58 13 306,54TOTAL 2400 2400,1

LA FERMENTACIÓN ESTÁ BALANCEADA RESPECTO DEL ESTADO ÓXIDO-REDUCTOR

Ejemplo


Balance de electrones con formación de producto


Rendimiento máximo de biomasa

Comparación del rendimiento microbiano en diferentes sustratos

Influencia del sustrato en los rendimientos y costos de operación


Estequiometría de la energía metabólica : generación de calor

• 40-50 % de la E suministrada por fuentes de C se convierten en ATP .El resto se libera como calor.

• La evolución del calor acompaña al crecimiento microbiano

Balance de EnergBalance de Energíía a partir de las entalpa a partir de las entalpíías de combustias de combustióón de sustrato n de sustrato y biomasa y biomasa [[kJkJ/g /g celcel]]

HC

SX

S

YH

YH 1

/+Δ=

ΔDonde:

∆HS = calor de combustión del sustrato (kJ/g sustrato)

YX/S= rendimiento para sustrato (g cel/g sustrato)

∆HC = calor de combustión de células (kJ/g cel)

1/YH = calor metabólico por gramo de biomasa (kJ/g cel).

CSXS

SXH HYH

YY

Δ−Δ=

/

/Ciclo entálpico

para la utilizaciónmicrobiana de sustrato


Generación de calor por crecimiento microbiano

• ∆HC = 20-25 kJ/g cel bacterianas• YH = 0,42 g/kcal glucosa

0.30 g/kcal malato0.21 g/kcal acetato0.18 g/kcal etanol0.12 g/kcal metanol0.061 g/kcal metano

Valores tValores tíípicospicos

• La generación de calor está fuertemente afectada por el grado de oxidación del sustrato

• El calor generado/tiempo en una fermentación batch:

• En fermentaciones aeróbicas se cumple pues el O2 es el receptor final de electrones

HnetaGR Y

XVQ 1μ=

[X]=g cel/L [μneta]=h-1

[V]= L [QGR]= kJ/hr

[1/YH]=kJ/g cel

212.0 OGR QQ ≅

Para células en crecimiento activo, el requerimiento paramantenimiento es bajo

LLa evolucia evolucióón de calor estn de calor estáádirectamentedirectamente

relacionada con el relacionada con el crecimiento.crecimiento.

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡= tiempomolesOXVqQ 2

OO 22 CEBI_E9 Sandra Guerrero

EJEMPLO

En una experiencia realizada en un reactor batch (V=500 L) se cultivaron células de Pseudomona fluorescens utilizando glucosa como sustrato según la siguiente reacción biológica:

C6H12O6 +a O2 + b NH3 = c CH1,66 N0,20 O0,27 + d CO2 + e H2O

con un cociente respiratorio (RQ) de 1,3. Se determinó que los calores de combustión de glucosa y de células fueron respectivamente 3,6 kcal/g glucosa y 5,8 kcal/g células mientras que la concentración de biomasa producida fue 5 g células/L a una velocidad específica de crecimiento de 0,4 h-1.a)Halle los coeficientes estequiométricos correspondientes a dicha ecuación b)Calcule el rendimiento celular respecto de glucosa consumida c)Halle el calor generado (kcal/h) en el reactor batchNota : suponga que no hay formación de productos extracelulares ni gasto por metabolismo endógeno

….EJEMPLO

a) Balances elementales

C 6=c+d

H 12+3b=1,66c+2e

O 6 +2a=0,27c+2d+e

N b=0,20c

Resolviendo las ecuaciones resulta que:

a=1,663 b=0,7676 c=3,838 d=2,162a=1,663 b=0,7676 c=3,838 d=2,162

b)

c) Cálculo del calor metabólico por balance de energía a partir de las entalpías

C6H12O6 +a O2 + b NH3 = c CH1,66 N0,20 O0,27 + d CO2 + e H2O

RQ=1,3=d/a

glucelglu

cel

sust

cels/x g/g443,0

180838,378,20

PMcPM

masamasaY =

⋅=

⋅==

HC

SX

S

YH

YH 1

/+Δ=

Δ3,6 kcal/g glu 5,8 kcal/gcel

1/YH = calor metabólico por

gramo de biomasa=2,33 kcl/g cel

…EJEMPLO

El calor generado/tiempo en una fermentación batch:

h/kcal2330Q

gkcal33,2

Lg5h4,0L500

Y1XVQ

GR

cel

cel1

HnetaGR

=

⋅⋅⋅=μ= −

Optimización del medio y las condiciones del cultivo

Pueden ocurrir situaciones en las cuales sea imperativo Pueden ocurrir situaciones en las cuales sea imperativo la optimizacila optimizacióón de los medios de cultivo.n de los medios de cultivo.

No existencia de información respecto a coeficientes de rendimiento de macro y micro elementos para el cultivo del microorganismo determinado. Existencia de limitaciones nutricionales ocultas, especialmente de microelementos y factores de crecimiento. Uso de medios de cultivo conteniendo elementos en exceso respecto de los requerimientos nutricionales del microorganismo en cuestión, que pueden causar inhibición del crecimiento. Ensayo de sustancias estimulantes, activadoras e inhibidoras del crecimiento y formación del producto.Empleo de fuentes nutricionales no convencionales.

Optimización del medio y las condiciones del cultivoMETODOLOGIAMETODOLOGIA

Realizar experimentos, en los cuales se varia la se varia la concentraciconcentracióón del componente a ensayarn del componente a ensayar manteniéndose constante las concentraciones de los demás ingredientes. Para organismos aerobios generalmente se utiliza como sistema de cultivo erlenmeyers agitados. En este caso, se analiza el efecto de la variable escogida sobre la velocidad de crecimiento y la concentración de biomasa obtenida.Hace falta una gran cantidad de trabajo preliminar ya que el operador no conoceno conoce de antemano que nutriente es el limitante del crecimiento.Cuando son varios los posibles nutrientes limitantes el método resulta poco practico.puede ocurrir que la respuesta obtenida al variar la concentración de un componente dependa de los niveles de los otros, o sea, se produzca interacciinteraccióón entre n entre componentescomponentes.Se puede mejorar mucho la optimización en batchbatchempleando técnicas estadísticas o utilizando sistemas sistemas continuoscontinuos con pulsos de componentes.Utilizando cultivos continuoscultivos continuos es posible obtener un cultivo limitado por un solo factor o sustrato a lo largo de todo el experimento, pudiéndose conocer por lo tanto el efecto que su variación ejerce sobre el cultivo al mantenerse los demás componentes constantes.En la figura se muestra la optimización de un medio lograda por el mméétodo de los pulsostodo de los pulsos trabajando con un cultivo continuo y en el cual se gráfica la variación de la concentración de biomasa en función del tiempo después del pulso de un componente dado.

Optimización de medios de Fermentación. 1. Nutriente no limitante. 2. Nutriente limitante. 3. Nutriente limitante a mayor concentración. 4. Nutriente tóxico

CULTIVOS MIXTOSCULTIVOS MIXTOS


Interacciones microbianas

Efecto en Efecto en especie 1 especie 2

• Neutralismo 0 0• Competencia - -• Comensalismo + 0• Amensalismo - 0• Mutualismo + +• Predación, - +• Parasitismo - +


Neutralismo

• Neutralismo es el tipo menos común de las interacciones ínter específicas.

• Ninguna población afecta a la otra. En el neutralismo no hay cambio en la velocidad de crecimiento de ninguno de los dos microorganismos debido a la presencia del otro.

• Cualquiera de las interacciones que se producen son indirectas o incidentales.

• Se han estudiado muy pocos casos de neutralismo. Uno de ellos es el crecimiento de starters de yogur de Streptococcus y Lactobacillus en un quimiostato . La cuenta total de estas dos especies a una velocidad de dilucion D = 0,4 h-1 fueron muy similares si las dos poblaciones se cultivaban juntas o separadas.

• El neutralismo parece ocurrir en casos donde cada microorganismo consume distintos substratos limitantes y donde los productos finales son diluidos o neutralizados.


• Interacción en la cual una especie, B, afecta positivamente el crecimiento de otra, A. Sin embargo B no es afectada por A.

• -Varios mecanismos resultan en este tipo de interacción, entre los más comunes:

– La La poblacipoblacióón Bn B produce un produce un nutriente esencial o un factor de nutriente esencial o un factor de crecimiento para la crecimiento para la poblacipoblacióón An A..

–– La La poblacipoblacióón Bn B elimina del medio un elimina del medio un compuesto tcompuesto tóóxico para la xico para la poblacipoblacióón n AA..

• Ejemplo:– Remoción de ácido láctico por el

hongo Geotrichium candidum, que permite el crecimiento del Streptococcus lactis. Esta interacción se utiliza en la fabricación de quesos usando S. lactis. El ácido láctico producido por S.lactis inhibe su crecimiento

El hongo metaboliza el lEl hongo metaboliza el lááctico y mejora ctico y mejora las condiciones de crecimiento para las condiciones de crecimiento para la bacteria.la bacteria.

Comensalismo


Interrelaciones benéficas

Protocooperación- Mutualismo

• Ambas especies crecen más rápido estando juntas que separadas

• Para el mutualismo la interacción es esencial para la supervivencia de ambas especies; en la protocooperación no

• Es mucho más común que el neutralismo e implica varios mecanismos diferentes

•• Intercambio de factores de crecimientoIntercambio de factores de crecimiento– Ejemplo: el crecimiento de un Lactobacillus, que

requiere fenil alanina y de un Streptococo, que requiere acido folico. Los cultivos puros casi no crecen y la mezcla de ellos crece perfectamente

•• Intercambio de nutrientes Intercambio de nutrientes – Se conocen muchos casos de asociaciones

mutuamente beneficiosas entre bacterias aeróbicas y algas fotosintéticas. La bacteria usa O2 y carbohidratos y producen CO2 y factores de crecimiento.

– Las algas usan la luz del sol como fuente de energía, convierten el CO2 en carbohidratos y liberan también O2. Este sistema ilustra algunos aspectos del ciclo del C y del O2.



Simbiosis

• Cuando hay una relación (mutualista, parasitista; comensalista; etc.) muy estrecha, de tal modo que las especies se necesitan mutuamente para la supervivencia . Los microorganismos se encuentran en muchas relaciones simbióticas entre si y además con los organismos superiores.– Ejemplo de relación simbiótica : Mathanobacillus omelianski, que es una

bacteria que abunda en los barros anaerobios. Se ha descubierto que es una mezcla de 2 especies. La primer especie convierte el etanol en H2 y acetato. Pero, dicha especie es inhibida por el hidrogeno que produce.

C2H6O + H2O C2H3O2 + H+ + H2La segunda especie de la bacteria no puede crecer en etanol, pero consume H2 dando metano :

4H2 +CO2 CH4 + 2 H2OUna especie destruye una toxina para su asociado , el cual a su Una especie destruye una toxina para su asociado , el cual a su vez, da vez, da

un nutriente para el primeroun nutriente para el primero



Competencia

• La competencia se produce cuando los organismos de la misma comunidad buscan la misma limitación de recursos. Este recurso puede ser presa, el agua, la luz, los nutrientes, los lugares de anidación, etc

• La competencia entre los miembros de la misma especie es intraespecífica.

• La competencia entre individuos de especies diferentes es interespecífica.

• Los individuos experimentan los dos tipos de competencia, pero la importancia relativa de ambos varían de población a población y de especie a especie


Interrelaciones antagónicas

μA > μB ∀S : A desplazará a B

S (μM)

μg(h-1)A

B

Caso 1


S (μM)

μg(h-1) A

BμX

SX

Caso 2

1. En el punto de cruce D = μX ; S = SX : las dos especies podríanmantenerse en el quimiostatopunto de operación inestable

2. Si D > μX ⇒ μA > μB A desplazará a B, se “lava” B

3. Si D < μX ⇒ μA < μB B desplazará a A, se “lava” A


Tipos de Competencia

• Exclusión competitiva se produce cuando las especies utilizan la misma limitación de recursos, por lo tanto, el agotamiento de la cantidad disponible para otros.

• Interferencia competitiva se produce cuando las especies interfieren en la búsqueda de alimento, la supervivencia o la reproducción de los demás, o directamente impiden su establecimiento en una parte de un hábitat.



Principio de exclusióncompetitiva

• A comienzos del siglo XX, dos matemáticos biólogos, AJ Lotka y V Volterra desarrollaron un modelo de crecimiento de la población para predecir el resultado de la competencia.

• Sus modelos sugieren que dos especies no pueden competir por el mismo sustrato limitante por mucho tiempo. Incluso un minuto de ventaja reproductiva lleva a la sustitución de una especie por otra.

• A esto se le llama exclusión competitiva principal.


Evidencia de la exclusión

competitiva

• Un famoso experimento del ecologista ruso, GF Gausse demostróque Parameciumaurelia compite y desplaza a Parameciumcaudatum en cultivo mixto de laboratorio, aparentemente confirmando el principio.


• Interacción en la cual una especie, B, afecta negativamente el crecimiento de otra, A. Sin embargo B no es afectada por A.

• - Mecanismos comunes en este tipo de interacción:

–– La La poblacipoblacióón Bn B elimina del medio un elimina del medio un nutriente esencial o un factor de crecimiento nutriente esencial o un factor de crecimiento para la para la poblacipoblacióón An A..

–– La La poblacipoblacióón Bn B produce un compuesto tproduce un compuesto tóóxico xico para la para la poblacipoblacióón An A..

• Ejemplos:– Producción de antibióticos por algunos

hongos, que inhiben el crecimiento de otros microorganismos.

– Algunos microorganismos excretan enzimas que destruyen la pared celular de otros; no sólo eliminan al organismo competidor sino que emplean los productos de lisis como nutrientes

– La síntesis microbiana de ácidos orgánicos baja el pH e inhibe el crecimiento de otros organismos.


Interrelaciones antagónicasAmensalismoAmensalismo

Interacciones en las cuales una población se beneficia a expensas de otra.

- Estas dos interacciones se distinguen entre si por el tamaño relativo de los organismos y por el mecanismo involucrado.

- PredaciPredacióónn: en este caso ocurre la ingestión de la presa por el organismo predador. Es una interacción muy común en tratamiento aeróbicos de aguas residuales.

- ParasitismoParasitismo: el huésped, que es generalmente el organismo más grande, es dañado por el parásito. El parásito se beneficia de la ingestión de nutrientes del huésped.

Si bien los mecanismos físicos de predación y parasitismo difieren, los dos fenómenos tienen muchas características comunes en su descripción conceptual y matemática.


PredaciPredacióónn y parasitismoy parasitismo



PredaciPredacióónn y parasitismoy parasitismoInterrelaciones antagónicas

Modelo de Lotka-Volterra de las oscilaciones predador-presa

• La mayoría de los predadores no responden instantáneamente a la disponibilidad de presa y ajustan su reproducción en consecuencia. Si crece la población de predadores más rápido que la población de presa:

• Esto lleva a una rápida disminución de la presa, seguida de una rápida disminución de los predadores. Una vez que el predador disminuye, la presa de la población puede empezar de nuevo cada vez. Este patrón se llama una oscilación predador-presa


PredaciPredacióónn y parasitismoy parasitismoInterrelaciones antagónicas

Primera etapa: Xpresa y XpredadorA medida que el predador consume la presa Xpresa y XpredadorCuando la Xpresa , no es suficiente para suministrar alimento al predador ⇒ Xpredador y Xpresa


cinÉtica y estequiometria de cÉlulas...una población microbiana que se encuentre en un medio...

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