UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO

FACULTAD DE QUIMICOFARMACOBIOLOGIA

FERMENTACIONES INDUSTRIALES

BIOREACTOR AUTOMATIZADO, CURVA DE CRECIMIENTO MICROBIANO CON MODELOS MATEMATICOS.






SECCION 01 SEMESTRE 09 ALIMENTOS








25-ENERO-2012

BIORREACTORES

Los Biorreactores son los equipos donde se realiza el proceso de cultivo (también comúnmente denominado “fermentador”), sea en estado sólido o líquido. Su diseño debe ser tal que asegure homogeneidad entre los componentes del sistema y condiciones óptimas para el crecimiento microbiano y la obtención del producto deseado. Es importante tomar en cuenta los problemas de transferencia de calor y oxigeno dentro de la cama del sustrato, losn cuales dependen de las caracteristicas de la matriz que se este utilizando para la fermentacion, siendo este, uno de los principales factores que afectan el diseño y las estrategias de control.

Los criterios mas importantes para el diseño de un biorreactor pueden resumirse del siguiente modo dependiendo del tipo de biorreactor y la fermentación a utilizar:

• El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días, para evitar la aparición de contaminantes en las operaciones de bioprocesos de larga duración.

• Debe permitir una mayor area de contacto entre las fases biótica y abiótica del sistema, es decir, se debe proporcionar unsistema adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos.

• El consumo de energía debe de ser el mínimo posible.

• Entradas para la adicion de nutrients y regulacion del PH.

• El crecimiento microbiano es generalmente exotérmico, por lo que, el biorreactor debe facilitar la transferencia de calor, del medio hacia las células y viceversa, a medida que se produce el crecimiento celular, ademas de mantener estable la temperatura deseada.

• Mantener las células uniformemente distribuidas entodo el volume del cultivo.

• Suministra oxigeno auna velocidad que satisfaga el consumo.

• El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro: una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente inoculado con el microorganism inoculado deseado.

Los bioractores mas utilizados ha nivel industrial estan provistos de mecanismos de agitación, dispersión y aireación así como de sistemas para el control de la temperatura, pH. Los biorreactores deben ser optimizados para obtener la maxima concentración de productos de la fermentación, como lo son la biomasa microbiana y/o metabolitos en un tiempo mínimo y a menor costo de producción.



TRANSFERENCIA DE 02
La velocidad de transferencia de 02, R02, desde el seno de la fase gaseosa (burbujas) hasta la fase líquida esta dada por la siguiente ecuación

donde KLa es el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, C la concentración de 02 disuelto en el seno del líquido y C* la concentración de O2 disuelto que. estaría en equilibriocon la presión parcial de oxígeno de la fase gaseosa. El KLa depende del diseño del biorreactor, de las condiciones de operación (caudal de aire, agitación) y de la viscosidad del cultivo. A mayor viscosidad menor KLa.El KLaes una medida de la capacidad que posee un biorreactor para suministrar 02 y el rango de valores usuales esta comprendido entre 50 h-1 y 1000 h. Es útil en este punto retomar el ejemplo visto al final del capítulo 5 y calcular el KLa necesario para que la velocidad de transferencia de 02 sea igual a la de consumo; esto significa que R02 debera ser igual a 1,526 mg l-1 h-1. Asumiendo que C* = 7,8 mg l -1 y C = 0,5 mg l -1, resulta

Por tanto valores de KLa iguales o superiores al calculado aseguraran, para el ejemplo visto, que el cultivo no esta limitado por O2. Cuando la velocidad de consumo del oxígeno varía con el tiempo, como ocurre por ejemplo en un cultivo 'batch', el calculo de KLa necesario se realiza empleando el maximo valor de rO2 esperado, a fin de asegurar un adecuado suministro de O2 durante todo el cultivo. Con este capítulo finaliza el tratamiento de los aspectos fundamentales de los procesos de fermentación. Resta tratar las aplicaciones de la Microbiología Industrial y las posibilidades que pueden presentarse en el futuro. Como ejemplo de esas aplicaciones se incluyen en esta monografía los procesos correspondientes a la producción de levadura de panificación, penicilina y otro correspondiente al tratamiento de efluentes. La producción de levadura es un proceso clasico de las primeras etapas del desarrollo de laMicrobiología Industrial, mientras que el de penicilina representa un cambio fundamental en la evolución de nuestra disciplina, a partir de 1945. En ambos procesos se demuestra la integración de varios de los aspectos basicos tratados con anterioridad. Finalmente la elección del tema de tratamiento de efluentes industriales responde a la trascendencia cada vez mas importante que tiene el problema de la contaminación ambiental y a las soluciones que ofrece la Microbiología Industrial para encararlo.

CRECIMIENTO MICROBIANO

Entendemos por crecimiento microbiano el aumento del número de microorganismos a lo largo del tiempo. Por tanto, no nos referimos al crecimiento de un único microorganismo que denominaremos ciclo celular, sino al demografico de una población. En este tema nos centraremos en el crecimiento de bacterias, el estudio que se hace puede servir también para entender el crecimiento de levaduras y de otros hongos.
Denominamos ciclo celular al proceso de desarrollo de una bacteria aislada. A lo largo del ciclo celular tiene lugar la replicación del material genético, la síntesis de componentes celulares, la elongación de la bacteria para alcanzar un tamaño doble del inicial y su división por bipartición para dar lugar a dos células hijas. La duración del ciclo celular coincide con el tiempo de generación y depende, en general, de los mismos factores de los que depende este.
El crecimiento de una población resulta de la suma de los ciclos celulares de todos los individuos de dicha población. Los cultivos de microorganismos de los que hemos hablado sonasincrónicos puesto que en ellos cada microorganismo se encuentra en un punto diferente del ciclo celular.
Por consiguiente, en un momento determinado en un cultivo se encuentran células que acaban de dividirse, otras que estan replicando su ADN, otras que estan credciendo, otras que estan iniciando la división celular, etc. En un cultivo sincrónico todas las células se encuentran simultaneamente en la misma fase del crecimiento celular. Los cultivos sincrónicos son muy difíciles de mantener por lo que su importancia esta principalmente ligada a los estudios basicos de biología microbiana. Sin embargo, en la naturaleza, las bacterias del suelo se encuentran en condiciones de crecimiento próximas a la fase estacionaria (en la que se produce una cierta sincronización del cultivo) y, por consiguiente, durante cierto tiempo las poblaciones naturales probablemente se comporten como relativamente sincrónicas.Las poblaciones de bacterias crecen de forma explosiva acumulando grandes números en un periodo de tiempo muy reducido. Puesto que el efecto de los microrganismos es en la mayoría de los casos depende de su número, entender cómo se produce el crecimiento microbiano es importante para poder evitar o reducir sus efectos nocivos y potenciar los beneficiosos o aplicados.


CRECIMIENTO MICROBIANO EN MEDIO LÍQUIDO

Si la bacteria crece en un medio líquido, en la mayoría de los casos las células que se producen en cada división continúan su vida independientemente formandose una suspensión de células libres.
En un cultivo discontinuo de bacterias en medio líquido, sepueden diferenciar cuatro fases en la evolución de los parametros que miden el crecimiento microbiano

• Fase lag o de adaptación durante la que los microorganismos adaptan su metabolismo a las nuevas condiciones ambientales (abundancia de nutrientes y condicionesde cultivo) para iniciar la fase de crecimiento exponencial.

• Fase exponencial o logarítmica: en ella la velocidad de crecimiento es maxima yel tiempo de generación es mínimo. Durante esta fase las bacterias consumen a velocidadmaxima los nutrientes del medio. La evolución del número de células durante esta fase se explica con los modelos matematicos que describiremos a continuación.

• Fase estacionaria: en ella no se incrementa el número de bacterias (ni la masa uotros parametros del cultivo). Las células en fase estacionaria desarrollan un metabolismo diferente al de la fase exponencial y durante ella se produce una acumulación y liberación de metabolitos secundarios que pueden tener importancia industrial. Los microorganismos entran en fase estacionaria porque se agota algún nutriente esencial del medio o porque los productos de desecho que han liberado durante la fase exponencial hacen que el medio sea inhóspito para el crecimiento microbiano. La fase estacionaria tiene gran importancia porque probablemente represente con mayor fidelidad el estado metabólico real de los microorganismos en los ambientes naturales.

• Fase de muerte: se produce una reducción del número de bacterias viables del cultivo


CRECIMIENTO MICROBIANO EN MEDIO SÓLIDO

Las fases, parametros y cinética decrecimiento discutidas para el caso de los cultivos líquidos se presentan también en cultivos sólidos. La cinética de crecimiento, en este caso, se puede estudiar siguiendo la evolución del número de células viables por unidad de superficie o por unidad de masa. Cuando una célula aislada e inmóvil comienza a crecer sobre un substrato sólido, el resultado del crecimiento al cabo del tiempo es una colonia. Por consiguiente, se denomina unidad formadora de colonia (UFC) a una célula bacteriana viva y aislada que si se encuentra en condiciones de substrato y ambientales adecuadas da lugar a la producción de una colonia en un breve lapso de tiempo. Si el número inicial de bacterias por unidad de superficie es muy alto, la confluencia de las colonias da lugar a lo que se llama un césped cuando se realizan los cultivos en placas de laboratorio. En el caso de microorganismos móviles (deslizantes) o en el de los hongos filamentosos que tienen un crecimiento trófico no se producen colonias aisladas sino formaciones mas difusas o miceliares.





CONCEPTO DE MUERTE DE UN MICROORGANISMO

Desde el punto de vista microbiológico, un microorganismo muere cuando pierde de forma irreversible la capacidad de dividirse. Como consecuencia de esta pérdida, no se produce aumento en el número de microorganismos y, por tanto, no hay crecimiento. Sin embargo, un microorganismo puede estar muerto desde el punto de vista microbiológico y continuar desarrollando una actividad metabólica que se traduzca, por ejemplo, en liberación de toxinas.
Por otra parte, hay que considerar que la capacidadde multiplicación (crecimiento) de un microorganismo puede verse transitoriamente afectada por lesiones o por las condiciones físicas o químicas del entorno. En estos casos, podríamos considerar como muertos microorganismos que pueden reanudar su crecimiento si las condiciones son de nuevo favorables.

MODELO MATEMATICO DE MONOD

Si en un cultivo uno de los requerimientos esenciales para el crecimiento (sustrato y nutrientes), estuviera presente sólo en cantidades limitadas, se agotaría primero y el crecimiento cesaría. El modelo matematico de Monod (1942, 1949) asume que la rapidez de asimilación del sustrato, y en consecuencia la rapidez de producción de biomasa, esta limitada por la rapidez de reacción de las enzimas involucradas en el compuesto alimenticio que esta en menor cantidad con respecto a sus necesidades. La ecuación de Monod es

donde


La rapidez de crecimiento de biomasa es una función hiperbólica de la concentración de
alimento, como se muestra en la Figura 13.2.


Con respecto a la ecuación (13.3), cuando hay exceso de alimento limitante, esto es, S>>Ks, la
constante de rapidez de crecimiento k es aproximadamente igual a la rapidez de crecimiento
maximoko de la ecuación (13.3), y se dice que el sistema es limitado en enzimas. Dado que las
enzimas son suministradas por la masa microbiana, se dice que el sistema es esencialmente
limitado en biomasa, y la ecuación

es una ecuación de primer orden en la biomasa; esto es, la rapidez de crecimiento rx es
proporcional a la primera potencia de la biomasa presente. Cuando S