Cinetica Microbiana

 

CINÉTICA MICROBIANA AVANZADA Integrantes: Acevedo Cano Renzo Garay Calderón Fiorella Inca Román Pool López Trujillo Juan Santamaria Pizarro Jereny

 

FERMENTACIÓN MICROBIANA



El caso más simple:

A

C+R

C

Donde: A: Su Subs bstr trat ato o (al (alim imen ento to ne nece cesa sari rio) o) C: Microorganismo (m (m.o.) R: Pr Prod oduc ucto to (m (mat ateri erial al de de dese sech cho) o)

 

Ejemplos de Ferment Fermentaciones aciones Microbianas 

Fabricación de vino:

Uvas, cereales

m .o. más

frutas, papas, etc.

+ alcohol

m.o. Envenenamiento Envenenamien to por producto



Tratamiento de agua de desecho Material de

desecho orgánico

m.o.

más m.o.

+ productos de descomposición

Sin envenenamiento envenenamiento por producto

 

APLICACIONES:

INTERES

EJEMPLO

Descomposición de A

Tratamiento de aguas de desecho

Producción de células C Material de desecho R

Crecimiento de proteína celu ce lula larr pa parra al alim imen entto Producción de penicilina y ot otrros an anti tibi biót ótic icos os

 

FERMENTACIÓN ACIÓN CON AMBIENTE CONST CONSTANTE ANTE FERMENT



La velocidad de crecimiento de las células, después del tiempo lag, está dada por la ecuación de Monod

rC =

kCACC CA + CM

 

BIORREACTOR DE LOTE

CC Estacionaria muerte

Crecimiento exponencial

lag tiempo

 

FASES DE CRECIMIENTO Y EST ESTACIONARIA ACIONARIA 

Las células crecen exponencialmente en un ambien amb iente te un unif iform orme e



En un sistema de lote, el medio cambia, por lo

que la vel elo ocid ida ad de crecim imiiento también cambia  La caida en el crecimiento celular se debe tanto a  

el ag agot ota ami mien entto de dell al alim imen entto la acumulación de materiales tóxicos para la célula

 

BIORREACTOR 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 gene ge nera rall de de::

 

La di disp spon onib ibil ilid idad ad de al alim imen ento to.. La producción de desechos que interfieren con la multiplic multip licación ación celul celular ar..

 

CINÉTI CINÉTICAS CAS QUE TIENEN EN CUENT CUENTA A LA INHIBICIÓN INHIBI CIÓN POR POR SUBSTRA SUBSTRATO TO Ecuación de Andrews y Noack:

S 

    m

2

 K S 



S  

S 

 K is

       S      K is       m   S   K S   S   S 1 

Ecuación de Webb:

2

 K is

Ecuación de Aiba

y cols: Ecuación de Tessier: Ecuación de Tseng Y Wymann:

  S      S    exp p      m    K   S   ex   K    



S 

    

    m ex exp p   



 

 

is

 

    S      ex exp p    K    K is     S    S 

  S       m    K S   S      K is ( S   S C  )

 

CINÉTICAS QUE TIENEN EN CUENTA LA INHIBICIÓN POR PRODUCTO   S      K   S   (1  k   P )     S 

Ecuación de Dagley y Hinshelwood:

      m 

Ecuación de Holzber y cols.:

 

Ecuación de Ghose y Tyagy:



   m

    m



k 1

  

  ( P 



k 2 )

   P    1      P    max

  S      K   S     exp( k    P ) S     

      m 

Ecuación de Aiba y Shoda: Ecuación de Jerusalimsky y Neronova:

Ecuación de Levenspiel:

  S      K ip       K   S    K    P    S     ip  

    m 

   P       m 1    *      P   

n

S          K  S    S   

 

OTROS MODELOS CINÉTICOS Ecuación de Monod:

    m

S          K   S   S 

 



r  X   X 

Ecuación de Tessier:

S                m 1  ex  expp    K      S      

n

Ecuación de Moser:

Ecuación de Contois:

    m    S  n     K S   S   

 

  

m

  S        B   X   S  

 

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

r = kC 

A baja CA

R

C

rR = kCCCA / CM 

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

 

EXPRESIÓN CINÉTICA GENERAL



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

Donde:

n

kobs = k 1 –

CR CR*

 

BIORREACTORES UTILIZACIÓN DE BIORREACTORES AVANZADOS EN LA DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE EFLUENTES VÍNICOS

 

METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO METODOLOGÍA El presente trabajo evalúa la aplicabilidad de dos tecnologías avanzadas avanz adas de crecimiento adherido en el tratamiento anaerobio termofílico de vertidos de alta carga orgánica, filtro anaerobio y lecho fluidizado, analizando la influencia de las principales variables de operación sobre la eficacia depurativa de ambos procesos. La consecución de dicho objetivo general supone profundizar en muy diversos aspectos relacionados con cada tecnología específica.

 

MATERIAL MATERIAL Y MÉTODOS La experimentación se desarrolla en reactores de laboratorio tipo Filtro Anaerobio (FA) (FA) y Lecho Fluidizado Fluidizado (LF), oper operando ando en la degradación anaerobia termofílica termofílica de vinazas vinazas de vino. La temperatura de operación se mantiene a 55°C ± 1°C, óptima del rango ran go termofíl termofílico ico de tempera temperatura turas. s.

 

CARACTERÍSTICAS DEL INFLUEN CARACTERÍSTICAS INFLUENTE TE Se han utilizado vertidos procedentes de destilerías vínicas, genéric ricamente con ono ocidos como vinazas de vino. Las vinazas fueron transportadas y mantenidas a 4°C antes de su uso. El vertido fue diluido desde su concentración inicial de 30 g DQO/L hasta los val alor ore es req eque ueri rido doss en lo loss ensa ensay yos rea ealliz izad ados os (15 (15 g DQ DQO O/L /L). ).

 

SOPORTES MA MATERIALES TERIALES Los soportes utilizados han sido tubos de plástico corrugado (tipo FLOCOR-R) y perlas de vidrio sinterizado (SIRAN). Los tubos de plástico corrugado presentan baja densidad real, altísima porosidad y elevada superficie específica (450 m2 /m3 ), características adecuadas para su utilización como material soporte no poroso en reactores de lecho fijo. Por su parte, el SIRAN presenta una estructura superficial rugosa y porosa formada por macro y microporos que proporcionan una elevada área superficial y favorecen el desarrollo bacteriano en toda la extensión del mismo. Su utilización es muy adecuada en sistemas de lec echo ho fi fijo jo y, es espe peccia ialm lmen entte, en te tecn cnol olog ogía íass fl flui uidi dizzad adas as..

 

TÉCNICAS ANALÍTICAS El seguimiento del proceso de biodegradación requirió la cuantificación diaria de los siguientes parámetros: Demanda Química de Oxígeno (DQO), pH, Sólidos Totales y Volátiles en Suspensión (SST y SSV), volumen de biogas generado y composición del mismo (CH4 y CO2 ). Las determinaciones de DQO, SST y SSV se realizan de acuerdo con los “Métodos Estandarizados”

 

CINETICA DE BIOPROCESOS La modelización cinética de los procesos se ha abordado asum as umie iend ndo o un mode modelo lo ciné cinéti ticco gene nerral pr prop opue uessto por por mi miem embr bros os de la línea de investigación (Romero, 1991). El modelo parte del supuesto de considerar el proceso de degradación de la materia orgánica como una reacción autocatalítica en la que se produce un crecimiento neto de la población bacteriana. El desarrollo matemático del mismo conduce a una expresión general útil para cualquier

proceso

fermentativo;

no

obstante,

las

elevadas

concentraciones de microorganismos presentes en sistemas con retención de microorganismos (XVo/YX/S >> S0), implican que algunos de sus parámetros se manti tie enen constantes, conduciendo a la si simp mpli lifi ficcaci ación del del mo mode dello:

 

La velocidad de consumo de sustrato (-rs ) depende de 4 parámetros: µmáx, S0 , Snb y h. µmáx representa la velocidad específica máxima de crecimiento de los microorganismos; S0 corresponde a la concentración inicial de sustrato (DQO) adicionada a cada ensayo. El parámetro h representa la máxima cantidad de sustrato disponible en el medio para formar biomasa. (expresado en unidades de concentración de DQO mediant ante el coeficien entte de rendimiento Yx/s). Snb corre rrespon ond de a la con once cen ntrac traciión de su susstra trato no bi bio odegr degrad adab able le en el en ensa say yo.

 

Figura 1. Esquema de los equipos experimentales experimentales

utilizados: a) filtro anaerobio, b) lecho fluidizado

 

a) Valor máximo de la “V “ Velocidad de Carga Orgánica” eliminada (VCOc); b) Valor de la “Eficacia depurativa” para la máxima Velocidad de Carga Orgánica aplicada (VCO0max)

c) Eficacia depurativa máxima; d) SVS  

e) Evolución del pH; f) Velocidad de generación de metano. metano.

 

CONCLUSIONES 1.

Las tecnol tecnologí ogías as de cre crecim cimien iento to adheri adherido do,, ffilt iltro ro ana anaer erobi obio oy lecho fluidizado, son adecuadas para la depuración de vertidos de destilerías vínicas (vinazas) en condiciones anaerobias anaer obias ttermofíl ermofílicas icas (55°C) (55°C)..

2.

Se comprueba que los soportes “tubos de plástico corrugado” y “perlas de vidrio sinterizado (SIRAN)” son adecuados para llevar a cabo la degradación anaerobia termofílica de vinazas de vino en reactores de filtro anaerobio y de lecho expandido/fluidizado, expandido/fluidizado, respectivamente.

 

3. Se deduce que la tecnología de lecho fluidizado, independientemente del soporte, es más eficaz que la de independientemente lecho fijo ya que fav favorece orece el contacto entre las fases y disminuye notablemente las limitaciones por transferencia de materia en el seno de la fase fluida, favoreciendo favoreciendo el acceso a la superficie interna del relleno. 4. Se comprueba que el modelo autocatal autocatalítico ítico propuesto por Romero (1991) es útil para modelizar el comportamiento cinético de las distintas tecnologías utilizadas.

 

LIM MIN INA ACIÓN BACT CTEERI RIA ANA EN AGUAS ELI NATU NA TURA RALE LESS ME MEDI DIAN ANTE TE TÉ TÉCN CNIC ICAS AS POAS 

Introducción



Desinfección del agua: métodos convencional y basada en POAs



Modelos cinéticos de inactivación microbiana



Conclusiones

 

MODELOS CINÉTICOS DE INACTIVACIÓN MICROBIANA

C

 

CHICK-WATSON (1908) Primera cinéti ticca de inactivación de primer orden. La velocidad de la rea eacc cció ión n de depe pend nde e de la lass co conc ncen entr trac acio ione ness re rela lati tiv vas de dell de desi sinf nfec ecta tant nte e y lo loss mi micr croo oorrgan anis ism mos es esttan ando do el de desi sinf nfec ecta tant nte e en exce ceso so.. Do Dond nde e Nt es el número de bacterias supervivientes en el instante t, N0 es el número de bacterias inicial (t=0) y k es la constante de velocidad de la re reacc acció ión. n. Watson (1908) incorpora el efecto de la concentración del desinfectante. Donde C es la conce cen ntración del desinfectan antte y n es el número de moléculas de desinfectante necesarias para la inactivación o coeficiente de dilución. Se asume que todos los micr croo oorrgan anis ismo moss de la po pobl blac ació ión n pr pres ese entan la mi mism sma a se sen nsi sibi bili lida dad d al agente letal por lo que bajo una intensidad constante, se obtiene una un a lí líne nea a rec ecta ta..

 

HOM (1972) Cinética curvilínea, generalizó la ley de Chick-WatsoN, donde k es la constante de velocidad de inactivación de primer orden, C es la conce cen ntración del desinfectante, n el coeficiente de dilución y m una constante empírica del modelo. En el caso de que la concentración sea constante, se simplifica integrándose esta concentración en una cons co nsttan antte de velo loci cida dad d ap apar are ente (k (kap ap= = k• Cn) n),, si sien end do es estta kap una constante de pseudo-primer orden (min-1). Este modelo no considera que el agua tenga una demanda de desi de sinf nfe ect ctan antte y por tan antto, qu que e la con once cen ntr trac ació ión n de dell mis ism mo dism di smin inuy uya a a lo la larrgo de dell tr trat atam amie ient nto. o.

 

BIFÁSICO DE PRUITT Y KAMAU (1993) Existencia de dos poblaciones microbianas que prese sen ntan una se sens nsib ibiili lid dad al tr tra atam amiien entto di differ eren entte, siguiendo en ambos casos una cinética de inactivación de primer orden. Donde P significa la fracción de microorganismos supervivientes correspondientes a la subpoblación 1, (1-P) es la fracción de supervivientes de la subpoblación 2, k1 representa la constante de inactivación de la población sensible y k2 es la constante de inac in acti tiva vaci ción ón de la po pobl blaci ación ón re resi sist sten ente te..

 

MAFART (2002) δ es el parámetro de escala y se corresponde con el tiempo necesario para reducir el primer ciclo logar aríítmico decimal de la población bacteriana y p es el parámetro de forma e indica la forma de la curva de la ecuación, ya que ésta toma formas convexas cuando n es mayor que 1 y cóncavas cuando es menor que 1. Este modelo se fundamenta en modelos de inactivación termal, ya utilizado para describir perfiles de desinfección sobre diferentes tipos de microorganismos, fotorreactores y paráme par ámetr tros os ope opera racio cional nales es en fo fotoc tocat atáli álisis sis..

 

GEREARD Describe el comportamiento de los microorganismos cuando se presentan fenómenos de hombro, una fase de inactivación lsiingemao l iydecaosl.a,Laesind ercpiro, rcaucaión ndodedeca scdraibfeennócm urevnaos co se engloba en la donde Nres es la concentr tra ación de ba bact cte eri rias as su supe perv rviv iviien enttes es,, kmax es la velocidad específica de inactivación y S1 es el parámetro que qu e rep epre rese sent nta a la du durrac ació ión. n.

 

CINÉTICAS DE INACTIVACIÓN PARA POAS Ajuste de los cuatro modelos matemáticos matemáticos a la gráfica de inactivación bacteriana en el tratamiento de POAs

Ozonización

O3/H2O2

C

O3/TiO2

O3/H2O2/TiO2

 

BIBLIOGRAFÍA 

Boyle M., Sichel C., Fernández-Ibañez P., Arias-Quiroz B., Iriarte-Puña M., Mercado A., Ubomba-Jaswa E., McGuigan K.G. 2008. Bactericidal effect of solar water disinfection under real sunlight conditions. Applied and Environmental Envir onmental Microbiology Microbiology,, 74 (10), 2997- 3001.



Geeraerd A.H., Herremans C.H., Van Impe J.F. 2000. Structural model requirements to describe microbial inactivation during a mild heat treatment. International International



Journal of Food Microbiology, Microbiology, 59, 185-209. Pruitt K.M. y Kamau D.N. 1993. Mathematical models of bacteria growth, inhibition and death under combinated stress conditions. Journal of Industrial Microbiology Microbiology,, 12, 221-231.