Cinetica Del Consumo de Sustrato

Cinética del consumo de substrato

Villanueva A.C.

3.0

Dr. CARLOS E. VILLANUEVA AGUILAR Cátedra:  Diseño de Bioprocesos  Biotec!o"o#$a %icro&ia!a

CON'ENIDO (. VELOCIDA VELOCIDAD D DE CONSU%O CONSU%O DE SUS'R SUS'RA' A'O O )r sx sx* +ARA EL CRECI%IEN'O (.(. Ve"ocidad de co!s,-o de s,strato )r sx sx* 1. Aplicando Yx/s (rendimiento celular) 1.1.2. Aplicando r  x x (velocidad de crecimiento celular) 1.1.3. Aplicando q  sx ( velocidad especiica de consumo de substrato)

(.. Ve"ocidad especi/ica de co!s,-o de s,strato ) s* . VELOCIDA VELOCIDAD D DE CONSU%O CONSU%O DE SUS'R SUS'RA' A'O O )r sp sp* +ARA EL +RODUC'O .(. Ve"ocidad de co!s,-o de s,strato )r sp sp* 2.1.1. Aplicando Yp/s Yp/s (rendimiento del producto) 2.1.2. Aplicando r  p  p (velocidad de ormaci!n de producto) 2.1.3. Aplicando q  sp ( velocidad especiica de consumo de substrato)

.. Ve"ocidad especi/ica de co!s,-o de s,strato ) s* 3. %A %AN' N'EN ENI% I%IEN IEN'O 'O CELU CELULA LAR R 3.1. 3.2. 3.2. 3.3. 3.3.

Concepto. Veloc Velocid idad ad de de consu consumo mo de de la ue uente nte de car carbo bono no " ene ener#$ r#$a a %ela %elaci ci!n !n entr entre e los los rend rendim imie ient ntos os Yx/s Yx/s " Y&x/ Y&x/s s

1. RE2UERI%IEN'O DE OIGENO '.1. '.2.

Velocidad de consumo de oxi#eno (r o2) Velocidad especiica de consumo oxi#eno (q  o2)

4.3. 4.3.

Concept Concepto o de de conc concent entrac ración ión critic criticaa de oxigen oxigeno o disu disuelt elto o (Cc) (Cc)

Cinética del consumo de substrato

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LIS'A DE S4%BOLOS

Co!ce!tracio!es   *

roducto ubstrato iomasa

Coe/icie!tes m Yx/s Yp/s

antenimiento Coeiciente de rendimiento celular (biomasa) Coeiciente de rendimiento de producto

Ve"ocidades espec$/icas + , q q q-2

Velocidad especiica de crecimiento Velocidad especiica de muerte celular  Velocidad especiica de ormaci!n de producto Velocidad especiica de consumo de substrato Velocidad especiica de consumo de oxi#eno

Ve"ocidades r * r  r  r o2

Velocidad de crecimiento celular  Velocidad de consumo de substrato Velocidad de ormaci!n de producto Velocidad de consumo de oxi#eno

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1.VELOCIDAD DE CONSUMO DE SUSTRATO (rsx) PARA EL CRECIMIENTO (.(.

VELOCIDAD DE CONSU%O DE SUS'RA'O ) r s5 *

(.(.(. Ap"ica!do 657s )Re!di-ie!to Ce","ar*: Si reorde!a-os "a Ec. )(*  deri8a-os respecto a" tie-po se o&tie!e Ec. )9*: )(*

657s

 ; d5 7 ds

657s



d5 7 dt 7 ; ds 7 dt

espeando4

)1*

5 ds / dt

; ds 7 dt  ( 7 657s . d5 7 dt  Aplicando sus equivalentes4

r s  



( 7 657s

. r 5

donde4 r s 6 velocidad de consumo sustrato r 5 6 velocidad de crecimiento celular 

%eordenando

)9*

VELOCIDAD DE CONSU%O DE SUS'RA'O ) r s5 *

r s5  r 5 7 657s (.(.. Ap"ica!do r 5 ) 8e"ocidad de creci-ie!to ce","ar *: I!trod,cie!do "a Ec. )( ) por r 5  obteniendo la ( 0c. 2> b) (0c.2> )

 

(0c.2>b)

r s

 r 5 7 6J57s

K

-s 

r s 7 r 5  ( 7 6J57s

K

-s  7 r 5

@ntroduciendo las ecuaciones (2 

( 7 657s  ( 7 6J57s

K

-s 7 >

e la 0c. 3- sur#e claramente que cuando -s

-?

 657s

6J57s



ebe destacarse que  657s es el rendimiento observable mientras que  6J57s solo puede ser evaluado indirectamente mediante la (0c. 3- ).



Valores de -s de -.-1 a -.-' # # 1 = 1 son recuentes de =allar pero se incrementan con la temperatura " con la presi!n osm!tica del medio de cultivo.



on eemplos para Saccharomyces cerevisiae creciendo en anaerobiosis se encuentra un valor de -s 6 -.-3B # # 1 = 1 mientras que es die veces superior  si el medio contiene una concentraci!n de DaCl 1  lo cual da cuenta del trabao osm!tico que deben realiar las células.



e este modo el mantenimiento celular posee una implicancia tecnol!#ica directa "a que un proceso destinado a la producci!n de iomasa debe conducirse de modo tal que el valor de -s sea pequeEo.

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1.  REQUERIMIENTO DE OXIGENO 1.(. La Ve"ocidad de Co!s,-o de O5$#e!o ) r O * 1.. Ve"ocidad Espec$/ica de Co!s,-o de O5$#e!o )0*



0n las ermentaciones aerobias la obtenci!n de ener#$a est9 li#ada a la presencia de -2.



0s el aceptor inal de los electrones en la cadena de citrocomos donde se #enera abundante AF ( Adenosin triosato ).



;as moléculas de AF aportar9n la ener#$a necesaria para las reacciones de s$ntesis con las que el microor#anismo se Gabricar9H a si mismo " la requerida para el mantenimiento celular.

1.(. 

La Ve"ocidad de Co!s,-o de O5$#e!o ) r O *

or analo#$a con la ( 0c. 2> ) se puede expresar 0c.( 31a) (0c.2> ) ( 0c. 31a)

r s

 r 5 7 6J57s

K

-s 

r 0  r 5 7 6J57o

K

-0 

onde

-0 6J57o

0s el coeiciente de mantenimiento en base al oxi#eno 0s el rendimiento en base al -   consumido que se obtendr9

cuando m0 6 Cinética del consumo de substrato

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1.. Ve"ocidad Espec$/ica de Co!s,-o de O5$#e!o )0* 

ividiendo varios miembros de la 0c. (31a) por *  se obtiene4

r 0 7 

( 0c. 31b)



r 5 7 6J57o . 

r 0  0 . 

@ntroduciendo en (31 b)4

r 5  >  

K

r 0 velocidad de consumo de -  r 5 velocidad de crecimiento celular 

e obtiene la (0c. 32a)4 ( 0c. 32a)

0 .   7  

>  7 6J57o . 

K

-0  7 

Cinética del consumo de substrato

•

-0  7 

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uprimiendo * se tiene 0c. 32b

0  > 7 6J57o

( 0c. 32b) onde4

0 >

-0  6J57o

K

-0

Velocidad especiica de consumo de -  Velocidad especiica de crecimiento Coeiciente de mantenimiento en base al oxi#eno %endimiento en base al -  consumido que se obtendr9 cuando m 0 6 -

0n un cultivo en medio l$quido los microor#anismos utilian substancialmente el est9 disuelto " el valor de 0 depende de cual sea ésta concentraci!n.

2

que

or analo#$a con la ecuaci!n de onod " cuando el - 2 es el substrato limitante se suele representar ésta dependencia como 4

0 onde4

C O 0-a5



0-a5  C 7 o K C

Concentraci!n de 8 2 disuelto Constante de saturaci!n Velocidad especiica m9xima de consumo? se obtiene cuando C M O

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Ve"ocidad espec$/ica -á5i-ade co!s,-o de o5$#e!o  para di/ere!tes -icroor#a!is-os

1.3. Co!cepto de co!ce!traciH! critica de o5i#e!o dis,e"to )Cc* 



0n la pr9ctica se utilia principalmente el concepto de Cc . ;a Cc es el valor por encima del cual 0 es independiente de la concentraci!n de ox$#eno disuelto " por lo tanto el crecimiento no est9 limitado por 0.

> el cual ser9



0n éstas condiciones el valor 0 depende del cual sea el valor de unci!n del substrato que limita el crecimiento.



i la concentraci!n de éste es saturante ser9



;os valores de Cc para la ma"or$a de los or#anismos est9n en el orden de -.1 a 1m# ;51 (3.1 5 31 u) valores relativamente baos si se compara con la solubilidad del 0  que a 3-IC " -.21 atm!seras en medios acuosos diluidos es de J.: m# ; 51.



0sto podr$a conducir al error de suponer que no constitu"e un problema satisacer los requerimientos de 0  en los cultivos pero el si#uiente eercicio demostrar9 todo lo contrario. Concentración crítica de oxígeno

> 6 >-

" 0 6 0-.

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Co!ce!traciH! cr$tica de o5$#e!o para e" c,"ti8o de di/ere!tes or#a!is-os

So",&i"idad de o5$#e!o e! a#,a  e! so",cio!es ac,osas

L: /racciH! -o"ar de o5$#e!o e! a#,a m#/; 6 m x 32

UNIVERSIDAD NACIONAL +EDRO RUI GALLO ACUL'AD DE CIENCIAS BIOLOGICAS Diseño de Bioprocesos  Biotec!o"o#$a %icro&ia!a

BIOINGENIER4A 6 BIO'ECNOLOGIA

+RAC'ICA

CONCEN'RACIN CRI'ICA DE OIGENO DISUEL'O )Cc* Dr. B"#o. Car"os E. Vi""a!,e8a A#,i"ar  %aestr$a %icro&io"o#$a I!d,stria"  Biotec!o"o#$a

IN'RODUCCIN E! "a práctica se ,ti"iFa pri!cipa"-e!te e" co!cepto de Cc . La Cc es e" 8a"or por  e!ci-a de" c,a" 0 es i!depe!die!te de "a co!ce!traciH! de o5$#e!o dis,e"to  por  "o ta!to e" creci-ie!to !o está "i-itado por 0. E! @stas co!dicio!es e" 8a"or 0 depe!de de" c,a" sea e" 8a"or de > e" c,a" será /,!ciH! de" s,&strato ,e "i-ita e" creci-ie!to. Si "a co!ce!traciH! de @ste es sat,ra!te será >  >-  0  0-. Los 8a"ores de Cc para "a -aor$a de "os or#a!is-os está! e! e" orde! de 0.( a (-# L;(  8a"ores re"ati8a-e!te &aos si se co-para co! "a so",&i"idad de" 0 ,e a 30PC  0.( at-Hs/eras e! -edios ac,osos di",idos es de ?.< -# L;(. Esto podr$a co!d,cir a" error de s,po!er ,e !o co!stit,e ,! pro&"e-a satis/acer  "os re,eri-ie!tos de 0 e! "os c,"ti8os pero e" s#te. eercicio de-ostrará todo "o co!trario.

OBQE'IVOS: (. Ca"c,"ar "a 8e"ocidad de creci-ie!to )r 5* de ,! c,"ti8o -icro&ia!o "a 8e"ocidad de" co!s,-o de o5i#e!o )r O*  co!ce!traciH! cr$tica de" o5i#e!o dis,e"to )Cc *. . Ca"c,"ar e" tie-po tra!sc,rrido asta ,e "a co!ce!traciH! de 0 se ace cr$tica e i#,a" a 0.9 -# L;(

%A'ERIALES: ; Datos e5peri-e!ta"es ; Ca"c,"adora

+ROCEDI%IEN'OS: (. DA'OS E+ERI%EN'ALES:

Se tie!e ,!a po&"aciH! -icro&ia!a crecie!do acti8a-e!te e! ,! -edio de c,"ti8o o&te!i@!dose "os si#,ie!tes datos e5peri-e!ta"es: • • • • •

 (0 # L;( >  0.(9 ;(. -o  .= -# # ;(  ;(  657o  ( # #;( Co  ?.< -# L;( 

Co!ce!traciH! ce","ar Ve"ocidad especi/ica de creci-ie!to Coe/icie!te de -a!te!i-ie!to Re!di-ie!to c,a!do -a!te!ie!do es !,"o Co!ce!traciH! de o5i#e!o dis,e"to i!icia"

 Ca"c,"ar e" tie-po tra!sc,rrido asta ,e "a co!ce!traciH! de 0   se ace cr$tica e i#,a" a 0.9 -# L;( T. . CLCULO DE LA VELOCIDAD DE CRECI%IEN'O )r 5*

r 5  , 5

Ec. )(