5. Cinética microbiana

Cinética microbiana (Bioreacciones) Introducción

Fermentación microbiana • El caso más simple: A Donde: A: C: R:

C

C+R

substrato (alimento necesario) microorganismo (m.o.) producto (material de desecho)

Ejemplos de fermentaciones microbianas • Fabricación de vino: Uvas, cereales frutas, papas, etc.

m .o.

más m.o.

+ alcohol

Envenenamiento por producto

• Tratamiento de agua de desecho Material de desecho orgánico

m.o.

más m.o.

+ productos de descomposición

Sin envenenamiento por producto

Aplicaciones:

INTERES

EJEMPLO

Descomposición de A

Tratamiento de aguas de desecho

Producción de células C Crecimiento de proteína celular para alimento Material de desecho R

Producción de penicilina y otros antibióticos

Fermentación con ambiente constante

CA ln ( Cc/Cco)

Tiempo lag

t

Fermentación con ambiente constante

Máxima velocidad de crecimiento

k

kobs = k

k/ 2

CM

CA CA + CM

CA

Fermentación con ambiente constante • La velocidad de crecimiento de las células, después del tiempo lag, está dada por la ecuación de Monod rC =

kCACC CA + CM

Bioreactor de lote Estacionaria

CC

muerte

Crecimiento exponencial

lag tiempo

Fase lag • Cuando las células se introducen en un nuevo ambiente, se observa un tiempo de readaptación, ya que las células deben primero elaborar los productos químicos necesarios para crecer y reproducirse • Cualquier cambio en el ambiente, resulta en un periodo de inducción a medida que las células se ajustan

Forma usual de la curva lag Tiempo lag

Edad de las células introducidas en el medio fresco

Otra forma de la curva lag Tiempo lag

Edad de las células introducidas en el medio fresco

Fases de crecimiento y estacionaria • Las células crecen exponencialmente en un ambiente uniforme • En un sistema de lote, el medio cambia, por lo que la velocidad de crecimiento también cambia • La caida en el crecimiento celular se debe tanto a  el agotamiento del alimento  la acumulación de materiales tóxicos para la célula

Substrato que limita

CAo ln ( Cc/Cco)

t

Producto de la reacción que CAo limita

ln ( Cc/Cco)

t

Máximo crecimiento celular en función de la concentración inicial de substrato CC,max. Productos tóxicos limitantes

CAo

Bioreactor de flujo mezclado CAo

CA

CCo = 0

Cc

CRo = 0

CR

•Ambiente uniforme

•Células no necesitan adaptación •Velocidad de multiplicación de las células constante

Ecuación de Monod: rC = kCACC CA + CM

Expresiones cinéticas • La velocidad de multiplicación de las células depende en general de:  La disponibilidad de alimento

La producción de desechos que interfieren con la multiplicación celular

Disponibilidad de alimentos • En forma análoga a la cinética enzimática, para el caso de microorganismos: A + Cinactiva Cfértil

Cfértil 2Cfértil + R

Cc,total = Cc,fértil + Cc,inactiva

Disponibilidad de alimentos • A alta CA rR = kCC • A baja CA

rR = kCCCA / CM • A cualquier CA (Ecuación de Monod) rR = kCCCA CA + CM

Efecto de desechos dañinos • A medida que se produce el desecho R, interfiere con la multiplicación celular • La constante de velocidad de Monod, kobs disminuye con CR. kobs = k 1 – CR CR*

n

Efecto de desechos dañinos k n = 1/2

kobs n=1 n=2

0

CR*

CR

Expresión cinética general • Expresión de Monod más simple considerando ambos factores: -rA = rR = rC = kobs CCCA CA + CM Donde:

kobs = k 1 – CR CR*

n