resumen capítulo 1

Gallegos Hernández Verónica Edith.Ingeniería de Biorreactores.

Resumen Capítulo 1: Crecimiento Microbiano y Cinética de Fermentaciones.

En la actualidad una gran variedad de productos son elaborados por vía “fermentativa” o“microbiana”. “fermentación” a todo aquel proceso a través del cual, algún género microbiano, transforma una materia prima orgánica en un producto de interés industrial.

En un cultivo microbiano debe distinguirse el crecimiento "sincrónico" del "asincrónico", el primero indica una división o reproducción de todos los individuos de una población a un mismo tiempo y el segundo a una división o reproducción azarosa, con respecto al tiempo, de los individuos que componen a la población. En una fermentación industrial, el crecimiento usualmente es evaluado como "crecimiento poblacional asincrónico" y generalmente ocurre en forma balanceada. Los requisitos fundamentales para que se dé el crecimiento son dos:

Proceso de fermentación.Preparación de las materias primas.

Preparación de un medio de cultivo que provea todos los nutrientes necesarios para sostener la vida y mantener la producción del m. o.

Se consideran los efectos de las variables fisicoquímias de los medios sobre el crecimiento y producción del m. o.

Trasnformación microbiana de la materia prima a producto.Acción microbiana sobre el medio de cultivo para

elaborar el producto de interés.

Se toma nota de los aspectos físicos dentro del biorreactor.

Separación, recuperación y purificación de productos.

Biorreactores.La principal función de un fermentador es proporcionar y mantener las condiciones ambientales impuestas por el sistema biológico para la transformación óptima y económica de las materias

primas a productos.Existen multitud de formas, tipos y tamaños. Operan en régimen por lote, continuo o semicontinuo. Se

puede adicionar al medio de cultivo, en forma aséptica, aire, ácidos, antiespumante u otros líquidos.

El objetivo de toda fermentación industrial es

maximizar dicha transformación en el menor

tiempo posible.

Requiere necesariamente del conocimiento de la estequiometría del proceso, de la

relación entre las materias primas y energía involucradas y de los rendimientos celulares.


i) la existencia de un medio de cultivo que aporte los elementos nutritivos en todas sus formas (fuentes de C, N, S, P, O, etc.);

ii) el establecimiento y mantenimiento de las condiciones fisicoquímicas o ambientales necesarias (temperatura, pH, fuerza iónica, potencial redox, etc.). Los microorganismos más importantes y con mayores perspectivas económicas son los heterótrofos, aeróbicos, mesófilos.

La selección de las fuentes nutricias componentes de un medio de cultivo para la producción de un metabolito de interés, dependerá, entre otras cosas, del tipo de microorganismo; de la finalidad de la producción (fines comerciales o no); de si se requiere de una rápida velocidad de crecimiento; del valor agregado del producto; etc.

Fuente de Nitrógeno

Después del C es el elemento que normalmente

se encuentra en mayor concentración en el medio.

Se utiliza en la síntesis de aminoácidos, de proteínas,

de purinas y pirimidinas (constituyentes de los ácidos nucleicos), etc.

Se clasifican en orgánicas (agua de cocimiento, harinas

de pescado, etc.) e inorgánicas (urea, nitratos, nitritos, sales de amonio, amoniaco líquido,

etc.).


Fuente de Carbono

Más relevante debido al contenido de C en la biomasa, en producto y en el CO2.

Representan del 30% al 50% del costo de producción.

Más comune

sHexos

as.Pento

sas.Disacári

dos.

Polisacáridos.

Melaza.

Suero de Lech

e.

Vinazas.

CaracterísticasAbundante

Disponibl

e

De bajo costo

De producc

ión centrali

zada

Alta miscibilidad en

agua

Parcialmente oxidad

o.

De fácil degradación por

parte del m. o.

Que muestre

altos rendimien

tos de producto.


Fuentes de Macro y Microelementos

MacroelementosFósforo, azufre, calcio,

magnesioSe requiere su acición al

medio de cultivo.

HidrógenoEs tomado por el m. o.

con la fuente de C.

OxígenoSe suplementa continuamente a través del aire. El fermentador se diseña para

satisfacer las necesidades de O2.

MicronutrientesFierro, Zinc, Manganeso, Cobre, vitaminas, etc.

Se requieren en muy pequeñas cantidades por lo que se suministran a través de las MP químicamente no

puras.

Regulan las propiedades electrolíticas y osmóticas de las células y actúan como cofactores de algunas

enzimas.


Uno de los parámetros indicativos de la eficiencia de conversión en una fermentación es el "rendimiento", el cual es una relación "masa/masa" de dos variables. El rendimiento celular con base en el sustrato (Yx/s) representa la cantidad total de masa celular que se produce por unidad de masa total de sustrato que se consume. En una fermentación en la que los nutrientes del medio de cultivo son transformados a biomasa, productos o simplemente "quemados" por el microorganismo, se pueden establecer distintos rendimientos: celular con base en el sustrato (Yx/s); de producto con base en el sustrato (Yp/s); celular con base en el oxígeno (YO2); etc.

Así como existe el coeficiente de mantenimiento y el rendimiento para crecimiento verdadero para el sustrato, existirá igualmente uno para cada uno de los nutrientes [para el oxígeno, por ejemplo, "mO2" y "(YO2)g"

Como toda reacción bioquímica, el crecimiento celular ocurre en forma exotérmica, con generación de calor, el cual debe ser eliminado para mantener la temperatura constante y evitar rendimientos y productividades bajas. En teoría, la evolución del calor metabólico puede calcularse de la diferencia entre el calor de combustión del sustrato consumido y la suma de los calores de combustión del o los productos obtenidos (incluyendo la biomasa). Cuando sólo existe producción de biomasa, dicha estimación resulta relativamente simple ya que el calor de combustión de las células toma valores entre 5.8 y 3.6 kcal/g células.

Existen ciertas metodologías para la selección de las materias primas y la optimización de la composición de medios de cultivo como la de Box y Wilson9, el método del factor simple de Pilat y colaboradores10 y la de cultivo continuo empleada por Mateles y Battat, y Goldberg y colaboradores; la siguiente es la más fácil de aplicar:

1. Determinar experimental o bibliográficamente, la composición elemental para la biomasa.2. Seleccionar las materias primas que aportarán el nitrógeno, los macro y microelementos.3. Calcular el rendimiento para las materias primas seleccionadas, dividiendo el porcentaje

contenido en la materia prima del elemento que aportan, entre el porcentaje contenido en las células.

4. Establecer la concentración celular que se desee alcanzar.5. Estimar la cantidad de la materia prima dividiendo la concentración celular que se desea

alcanzar entre el rendimiento de dicha materia prima.

El modelamiento es una herramienta poderosa mediante la cual se puede describir el comportamiento actual y probable del crecimiento microbiano mediante una teoría bien establecida que, cuando es descrita en términos matemáticos, representa un modelo de trabajo del proceso. Para el establecimiento de un modelo, el modelador debe conocer la naturaleza de todos los parámetros importantes del proceso, sus efectos sobre el mismo y cómo pueden ser definidos en términos cuantitativos. La expresión matemática del modelo constituye un factor determinante para la concepción básica y real del proceso. Una vez que se ha formulado el modelo matemático, tiene que ser resuelto y comparado o validado con datos experimentales bajo las mismas condiciones establecidas en el modelo.Así, el modelo servirá para el diseño, optimización y control de procesos y para predecir el comportamiento bajo nuevas condiciones de experimentación. Los modelos que no consideran las variaciones entre los individuos de una población se llaman "no segregados" y “segregados” a los que sí consideran las variaciones.

En la literatura existe una diversidad de modelos cinéticos no estructurados.Comúnmente estos modelos son empíricos y relacionan la velocidad específica de crecimiento (μ) con una función relativamente sencilla de la composición del medio de cultivo (concentración de sustrato, oxígeno disuelto, inhibidores, etc.). El modelo de Monod es el más ampliamente utilizado en razón de su naturaleza relativamente sencilla.

μ=μM á x ( ss+ks )


Las constantes μMáx y ks son función del microorganismo, del sustrato y de las condiciones ambientales en las que se efectúa el crecimiento (Ks es la concentración de sustrato que da como resultado que el microorganismo tenga una velocidad específica de crecimiento igual a la mitad de su máxima). Entre más pequeño sea el valor de ks se dice que el microorganismo es más afín al sustrato.

En las fermentaciones industriales debe garantizarse que el inóculo del fermentador de producción debe estar perfectamente adaptado al medio de cultivo y a las condiciones fisicoquímicas y ambientales establecidas en dicho fermentador.

De acuerdo a la cinética clásica de evolución poblatoria, después de un tiempo dado, la velocidad de crecimiento de una población disminuye continuamente con el tiempo hasta llegar a cero. Las causas por las que la velocidad disminuye de su valor máximo son básicamente dos: el agotamiento del sustrato y la naturaleza de la forma de cultivo (por lote), en la que el medio ambiente va cambiando con el tiempo (p. ej. la acumulación continua de detritos en el medio producidos por el m. o.).

Los efectos que presentan la temperatura (T) y el pH sobre la μ son muy semejantes. En ambos casos se observa que existe una meseta o intervalo de T y pH en el que la μ es máxima y constante, y fuera de dicho intervalo la velocidad disminuye hasta llegar a cero (para los extremos). Para el caso de la temperatura, las zonas fuera de la meseta se pueden denominar como de "activación" y de "inactivación", esta última solo es importante durante la esterilización de un medio. Para la zona de activación la dependencia entre μ y la temperatura es del tipo de la ecuación de Arrhenius.

Las fermentaciones se pueden clasificar en tres tipos distintos de acuerdo a la formación de producto: i) asociada al crecimiento; ii) no asociada al crecimiento; iii) parcialmente asociada al crecimiento.

Puesto que el sustrato se utiliza para la síntesis de material celular (crecimiento), para el mantenimiento de las funciones vitales del microorganismo (mantenimiento) y para la síntesis del producto (producción) también debe contabilizarse para así saber qué cantidad de sustrato se va a cada función.

Conclusiones:

Se debe diseñar el medio de cultivo adecuado para el desarrollo óptimo del microorganismo.

La selección de las distintas fuentes de nutrientes se basan, tanto en aporte nutrimental como en costos de materia prima.

Los fermentadores son la principal herramienta para la correcta producción y control óptimo del proceso.

Monod será el modelo matemático más utilizado en el desarrollo experimental.

La velocidad de crecimiento microbiano se basa en una velocidad de crecimiento máxima específica, la concentración de sustrato y la constante de afinidad del m. o. por el sustrato.

En un cultivo por lote hay un intervalo de tiempo en el que μ es máxima y esto se da cuando ks es despreciable en comparación con la concentración de sustrato.

resumen capítulo 1

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