FERMENTACIONES CINE DISCON 2009

FERMENTACIÓN Proceso en ausencia de oxígeno en el cual intervienen como reaccionantes y productos sustancias orgánicas. Proceso en el cual el último aceptor de electrones es una sustancia orgánica. F. INDUSTRIAL: Proceso que usa a microbios para producir una sustancia de valor comercial. CLASES DE F. INDUSTRIALES: A. SEGÚN LA CINETICA DEL PRODUCTO: GADEN: celular.

El producto se liga al metabolismo energético o al crecimiento

1. F. TIPO 1: Cuando el producto está ligado directamente al metabolismo energético (producto primario), por lo que se forma cuando la célula crece. /

P = α / X X P

P X

t

2. F. TIPO 2: Es cuando el producto está indirectamente ligado al metabolismo energético; por lo que producto que se forma es indiferente al crecimiento o no de la célula. / P= α / X + X P

β Xv

X P

t

3. F. TIPO 3: Cuando el producto no está ligado al metabolismo energético (es un producto secundario; la célula a dejado de crecer). / P = β Xv NOTA: / X = u X X P

P

X

t

B. EN RELACIÓN AL CONSUMO DE SUSTRATO-FORMACION DE PROCUCTO: 1. F. SIMPLE: Es cuando el sustrato es convertido directa y totalmente a producto. CH3-CH2OH (etanol) -------------- CH3COOH (ácido acético)

S P

P

S t

2. F. CONSECUTIVA:

S P I

P I

S t 3.

F. SIMULTANEA ( S≡ I

I≡ P) : P

S P I

I

S t 4.

F. SUCESIVA (S≡ I/I≡ P) :

S P I

P

I S t

5. F. COMPLEJA: varios productos con varias cinéticas.

S P X

X P3 P2 P0 S t

C. SEGÚN ASPECTOS OPERACIONALES: 1. F. DISCONTINUA (F. BATCH) (F.LOTE): -

-

Es la más simple Es un proceso de estado no estable, las variables varían. Es un sistema cerrado: a tiempo cero la solución esterilizada de nutrientes se inocula con microbios para llevar a cabo la fermentación a lo largo del cual no se añade nada, excepto oxígeno, antiespumante y ácidos o bases. Es un proceso en el cual es observable las fases de crecimiento celular: latencia, logarítmica, estacionaria y de muerte.

2. F. CONTINUA: -

-

Es un sistema abierto: la solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes con los microbios se saca simultáneamente del sistema. Es un proceso en el cual se emplea el Quimiostato, el Turbidostato y el de Flujo tapón. En este último el cultivo fluye a través de un reactor tubular sin mezcla. QUIMIOSTATO: Es un reactor donde el crecimiento celular se controla ajustando la concentración de un sustrato limitante (carbohidrato, compuesto nitrogenado, sales , O2 ) . Es el más utilizado y es fácil de controlar.

TURBIDOSTATO: Es un reactor en donde el crecimiento celular se hace mantener constante evaluando la turbidez y haciendo control de la velocidad de alimentación de la solución de nutrientes. 3. F. LOTE ALIMENTADO (FEED BATCH): -

-

Es un proceso en el cual los sustratos se añaden escalonadamente a medida que progresa la fermentación. En este proceso la formación de muchos metabolitos secundarios está sometida a represión catabólica por alta concentración de glucosa; por otros carbohidratos; o por compuestos nitrogenados ; por ello los elementos críticos de la solución de nutrientes se añaden en pequeñas concentraciones al principio de la fermentación y continúan añadiéndose a pequeñas dosis durante la fase de producción. Es utilizada en la producción de sustancias como la penicilina.

4. F. SEMICONTINUA: Es una combinación de la continua con otra fermentación como el de la discontinua. 5. F. DE ESTADO SÓLIDO: -

-

Es un proceso en el que se emplea sustratos con bajo contenido de humedad: producción de quesos, producción de hongos comestibles, producción de compost. Es de bajo costo: emplea sustratos complejos naturales y de díficil degradación. Es una fermentación en donde la concentración del producto que se obtiene es elevado. Su requerimiento en energía y costo es bajo, así mismo requiere poco control. Presenta un mecanismo altamente complejo por lo cual hace muy díficil la comprensión y el desarrollo de modelos matemáticos.

6. F. MIXTA: -

Es un proceso en el cual se presentan cultivos mixtos, los organismos están en conjunción. Esta presente comúnmente en la naturaleza. Se estudia en forma empírica, debido a que se presenta un sinnúmero de relaciones que hace que no se hagan modelos matemáticos: producción de queso, tratamientos de desechos, producción de encurtidos, leche ácida.

CINETICA DE FERMENTACION DISCONTINUA CRECIMIENTO DE CELULAS (BIOMASA MICROBIANA)

Log[Cd] FASE ESTACIONARIA

FASE LOGARITMICA

FASE DE LATENCIA

dX =ux −αX dt u> >α

t

dX =uX dt x1

t1

dX =u ∫dt ∫ X x0 t0

X1 =u (t1 −t 0) X0 ln( X 1 / X 0) u= t1 −t 0 ln

u = Velocidad especifica de crecimiento (h-1) α = Velocidad especifica de muerte celular (h-1) X = Concentración celular (g/l) t = Tiempo (h)

CUANDO BIOMASA SE DUPLICA (X1 = 2X0)

u=

ln( 2 Xo / Xo ) ln 2 0,693 = = t1 − to td td

td =

0,693 =tiempo de duplicació n de biomasa u CRECIMIENTO RELACIONADO CON LA TEMPERATURA

 o

Cada tipo microbiano tiene un optimo de to

o

La to optima de crecimiento con la de formación de producto no son

necesariamente la misma. La velocidad especifica de crecimiento se describe por el modelo de arrhenius:

o

u = Ae

−(

Eo ) RT

A= constante de arrhenius Eo = energia de activacion (Cal/mol) R= constante de los gases(1,98 Cal/mol ok) T = temperatura absoluta(ok) NOTA: La energia de activación Para el crecimiento esta entre 15-20 Kcal/mol Para la muerte microbiana esta entre 60-70 Kcal/mol CRECIMIENTO RELACIONADO CON EL SUSTRATO

 o

u=

Relacionando al nutriente limitante según Monod:

umS Ks + S u um

u = Velocidad especifica de crecimiento (h-1)

0,5um

um = Velocidad máxima de crecimiento (h-1) S = Concentración de Sustrato (moles/L) Ks = Concentración de sustrato cuando u = um/2

Ks

S

Nota: Típicamente es muy pequeño. Ks en una fermentación normal por lo que se emplea para su determinación métodos de cultivo continuo o mediciones a bajas concentraciones de sustrato. 

BIOMASA RELACIONADO CON DEGRADACIÓN DEL SUSTRATO Y FORMACIÓN

DEL PRODUCTO:

−

ds dt

=

uX Y ( x / s)

Sustrato de consumido

dP dt Producto Acumulado

+

qp X Y ( p / s)

Crecimiento

=

+

mX

Síntesis de producto

Mantenimiento

qpX

Síntesis de Producto

S: Concentración de sustrato (g/l) t: Tiempo u: Velocidad especifica de crecimiento(h-1) X: Concentración Celular (g/l)

Y(x/s) = Rendimiento celular (g celulas/g sustrato) qp = Velocidad especifica de formación de producto(g. Producto/g. Celula-h) Y(p/s) = Rendimiento de producto(g. producto/g. sustrato) m = Coeficiente de mantenimiento(g. sustrato/g. celulas -h) P = Concentración de producto(g/l)

−

1 dS u qp = = +m + X dt Y ( x / s ) Y ( p / s)

qs =−

1 ds = x dt

qs = Velocidad especifica de utilización de sustrato(g. sustrato utilizado/g.celula-h)

1 Ks 1 1 = + u um [ S ] um ↓ Y

↓ m

↓ X

↓ c

De células o

Concentración

1/u

Ecuación de LINE WEAVER BURK obtenida de ecuación de Monod

1/um

-(1/Ks)

Grafico del doble reciproca [1/u] versus [1/s]

1/[S]

Producto

COEFICIENTE DE RENDIMIENTO:

DE PRODUCTO:

dX ds ∆X = −Y ( x / s ) . →Y ( x / s ) = dt dt ∆S

DE BIOMASA:

dP ds ∆P =− Y ( p / s ) . →Y ( p / s ) = dt dt ∆S

PRODUCTIVIDAD (P): MEDIDA DE LA EFICIENCIA TOTAL DEL PROCESO



En fermentaciones es llamada productividad volumétrica



Se expresa en gramos de producto por litro y hora

P =

Xf

1 Xf ln +td +tr +tl um Xo 1 Xf t = ln +td +tr +tl um Xo

=

Xf t

td: Tiempo de descarga del fermentador(h) tr: tiempo de recarga del fermentador(h) tl: tiempo que dura la fase de latencia (h) um: VELOCIDAD MÁXIMA DE CRECIMIENTO (H-1) Xo: Concentración inicial de células (g/l) Xf: Concentración final de células (g/l) Productividad total Productividad maxima

td

tr

tl

TIEMPO

Terminación

PROBLEMA:

Un organismo crece en un medio complejo en cultivo sumergido aeróbico se obtuvieron de el los siguientes datos: Tiempo(h)

: 0

1

2

3

4

5

6

7

No organismos/ml

: 2

20

135

320

374

378

380

381 381

determine el valor de Um y el de Ks

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