Clase 4 Cinetica Microbiana

Cinética Microbiana Crecimiento microbiano Para los microorganismos, el crecimiento es la respuesta más inmediata al medio fisicoquímico. El crecimiento es el resultado de la replicación y cambio en el tamaño de la célula. Los microorganismos pueden crecer bajo una gran variedad de condiciones físicas, químicas y nutricionales. En un medio ideal, los microorganismos extraen nutrientes del medio y los convierten en compuestos biológicos. Los nutrientes, entonces, se emplean para la producción de energía y para la biosíntesis y formación de productos. Como resultado la masa microbiana aumenta con el tiempo y puede ser descrita como: Sustrato + células → productos + células nuevas El crecimiento microbiano es un excelente ejemplo de una reacción auto catalítica. La tasa de crecimiento está directamente relacionada a la concentración celular, y la reproducción celular es un resultado de dicha reacción. La tasa de crecimiento microbiano se caracteriza por una tasa específica de crecimiento (µ) definida como:

Donde X es la concentración másica celular (g/L), t es el tiempo (h) y µ es la tasa especifica de crecimiento (h-1). El crecimiento se puede ilustrar a través de una curva que representa la relación entre el número de microorganismos y el tiempo, como se observa en la figura 1. La curva de crecimiento microbiano tiene seis etapas claramente diferenciables.

Figura 1. Curva de crecimiento microbiano y sus distintas fases

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Fase Lag: Durante esta etapa la razón de crecimiento es nula. La fase lag ocurre inmediatamente después de la inoculación y es un periodo de adaptación de las células a su nuevo ambiente. En esta etapa, la célula puede llegar a crecer un poco, sin incrementar en lo absoluto el número de células. Cuando el inoculo es pequeño y tiene una fracción numérica celular viable baja, puede existir una fase pseudo-lag, la cual no se debe a la adaptación sino al mal estado del inoculo. Bajas concentraciones de algunos nutrientes y la falta de factores de crecimiento pueden prolongar la fase lag. Así mismo, la edad del inoculo tiene una gran repercusión en la duración de la fase lag: generalmente, a mayor edad del inoculo, mayor será el tiempo de la fase lag. La fase lag no ocurre cuando el inoculo se encuentra en un estado metabólico de crecimiento exponencial durante su transferencia. Fase de crecimiento acelerado: En esta etapa, la tasa de crecimiento aumenta gradualmente, alcanzando un máximo nivel al final de la etapa. Los factores que afectan esta etapa, son comúnmente, los mismos que afectan a la fase lag. Fase de crecimiento exponencial: Durante esta etapa, las células se han adaptado al nuevo entorno. Después del periodo de adaptación, las células pueden multiplicarse rápidamente y la masa y la densidad celular aumentan exponencialmente con el tiempo, es un periodo de crecimiento balanceado en el que todos los componentes celulares crecen a la misma velocidad. Durante este crecimiento balanceado, la tasa específica de crecimiento determinada por el número de células o masa celular será igual. Como la concentración de nutrientes es elevada en esta, la tasa de crecimiento es independiente de la concentración de nutrientes, el crecimiento exponencial se vuelve de primer orden:

Fase de crecimiento retardado: Esta fase empieza cuando uno de los sustratos esenciales se vuelve limitante o se acumulan subproductos tóxicos generados durante la etapa de crecimiento. Durante esta etapa, la tasa de crecimiento específico depende de la concentración del sustrato limitante. En esta etapa de desaceleramiento se produce un crecimiento desbalanceado. Fase estacionaria: En esta etapa el crecimiento neto es cero o igual a la tasa de muerte. A pesar de que el crecimiento sea cero, durante ésta las células continúan metabolizando activamente y produciendo metabolitos secundarios en etapas de no crecimiento. La producción de metabolitos secundarios, en procesos biotecnológicos específicos, se estimula voluntariamente durante esta etapa. Durante la fase estacionaria, las células catabolizan reservas celulares para la construcción de nuevos bloques y generación de energía (metabolismo endógeno). La razón para la culminación del crecimiento es por abatimiento de nutrientes y/o acumulación de sustancias toxicas; si productos inhibidores se acumulan a cierto nivel, el crecimiento cesará por inhibición. Fase de declinación o muerte: Inicialmente después de la fase estacionaria, ocurre la fase de muerte; debido a que ya en la etapa estacionaria existe muerte celular, las

distinción precisa del momento en el que sucede la fase de declinación no es clara. La tasa de muerte usualmente ocurre como una cinética de primer orden:

Durante la fase de muerte, las células pueden o no efectuar lisis, y el restablecimiento del cultivo puede ser desarrollado durante una etapa temprana de la fase de decline, si las células son transferidas a un medio rico en nutrientes. Metabolitos primarios y secundarios El metabolismo es el conjunto de procesos y reacciones químicas anabólicas (requieren energía) y catabólicas (liberan energía); por los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes que necesita para vivir y reproducirse. Los microorganismos utilizan numerosos tipos de estrategias metabólicas distintas y las especies pueden a menudo distinguirse en base a estas estrategias. Las características metabólicas específicas de un microorganismo constituyen el principal criterio para determinar su papel ecológico, su responsabilidad en los ciclos biogeoquímicos y su utilidad en los procesos industriales. Metabolitos primarios. Se producen en el curso de las reacciones metabólicas anabólicas o catabólicas que tiene lugar durante las fases decrecimiento y que contribuyen a la producción de biomasa o energía por las células. Se producen principalmente en la tropofase o fase de crecimiento.  Son necesarios para el crecimiento del m.o que los produce  Se producen como productos únicos  Son producidos por todos los microorganismos (son universales)  La producción no puede perderse fácilmente por mutación espontanea  Los más importantes desde el punto de vista industrial son 1- Componentes esenciales y productos formados por los microorganismos: proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos (dextranos, alginatos, gelanos, xantanos) y poliésteres (PHB y plásticos), ácidos grasos (saturados e insaturados), esteroles (ergosterol) 2- Derivados del metabolismo intermedio: azucares (fructosa, ribosa, sorbosa), ácidos orgánicos (gluconico, ácido láctico, cítrico, acético, propionico, succínico, fumarico), alcoholes (xilitol, etanol, glicerol, sorbitol, butanol), aminoácidos (Lys, Thr, Glu, Trp, Phe), vitaminas (carotenos, B2, B12), nucleótidos saborizantes (ácidos inocinico y guanilico), polisacáridos y poliésteres de reserva. Metabolitos secundarios. Se producen por rutas anabólicas especializadas cuando no hay crecimiento. Significado evolutivo controvertido por ser imprescindibles. Pueden ser una estrategia para mantener en funcionamiento los sistemas metabólicos cuando no hay crecimiento; también sirven como indicativos de diferenciación y se producen durante la idiofase de los cultivos. Entre sus características comunes; tienden a producirse cuando el crecimiento está limitado (cultivo continuo); se forman por enzimas específicos a partir del metabolismo central; no son esenciales para el crecimiento o para el metabolismo central y son específicos para cada especie, y a veces, de cada cepa.

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Generalmente se producen como mezclas de productos muy relacionados químicamente entre si La producción puede perderse fácilmente por mutación espontanea Cada uno de estos productos es producido por un grupo muy reducido de organismos

Clasificación de los productos que se pueden obtener de los microorganismos (según que función cumplan dentro del metabolismo) I.

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Productos finales del metabolismo energético. Son ejemplos de este grupo el etanol, ácido láctico, acético, butírico, butanol, y otros compuestos asociados a procesos anaerobios. Su formación es consecuencia directa de la degradación de la fuente de carbono para obtener energía Productos intermedios de metabolismo primario. Pertenecen a este grupo los aminoácidos, los nucleótidos, las vitaminas, los ácidos orgánicos, y pueden incluirse también biopolímeros como enzimas. Los procesos de obtención son aerobios y la formación de estos productos ocurre principalmente en organismos que han sido sometidos a mutaciones o que se los hace crecer en medios deficientes. En cualquier caso lo que se pretende es lograr una regulación anormal del metabolismo tal que la fuente de carbono y energía se derive hacia la formación del producto deseado. En general, y a diferencia de los productos pertenecientes al primer grupo, no existe una relación directa entre la generación de energía y la síntesis de los productos de este grupo. Productos de metabolismo secundario. Pertenecen a este grupo los antibióticos, las toxinas, los alcaloides y las giberelinas. Históricamente se ha considerado a los metabolitos secundarios como aquellos que no son indispensables para las funciones vitales del microorganismo, a diferencia de los metabolitos primarios, aunque tal afirmación se encuentre actualmente en revisión. Cualquiera sea el caso, existen algunas características que diferencian a este grupo del anterior. Frecuentemente los precursores específicos para la biosíntesis de estos productos son obtenidos por modificación de metabolitos primarios. Por otra parte estos precursores suelen ser limitantes de la biosíntesis. El cultivo continuo y el batch alimentado son sistemas de cultivo que permiten regular la velocidad de crecimiento, y por tanto muy apropiados para obtener este tipo de productos. Los productos de este grupo comparten con el anterior la necesidad de un adecuado suministro de oxígeno para su formación. Cuando este requisito no es satisfecho los rendimientos disminuyen

Medidas del crecimiento celular El crecimiento de una población se mide a través de: Métodos directos:  Numero de células  Peso de la biomasa Métodos indirectos:  Consumo de nutrientes  Formación de productos  Calorimetría  ATP La selección del método para cuantificar el crecimiento microbiano, depende de:  Propiedades de la biomasa (bacterias, hongos)  Propiedades del medio de cultivo  Sensibilidad requerida  Confianza del método  Velocidad necesaria Métodos directos 

Medida del numero de células: o Cuenta directa (microscopio): conteo total de células → cámaras especiales

o Cuenta en placa: conteo solo de células viables

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Medida de la masa celular o Peso seco: Filtración (