Analisis Del Crecimiento Microbiano
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7/25/2019 Analisis Del Crecimiento Microbiano
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ANALISIS DEL CRECIMIENTO
ANLISIS DEL CRECIMIENTOANLISIS DEL CRECIMIENTOEN LOS PROCESOSEN LOS PROCESOS
BIOTECNOLGICOSBIOTECNOLGICOS
GESIRA DE AVILA MONTIELGESIRA DE AVILA MONTIELINGENIERA QUIMICAINGENIERA QUIMICA
MAGSTER EN ING. QUMICAMAGSTER EN ING. QUMICAnfasis en bi!"#essnfasis en bi!"#ess
Ca"$a%ena& C'(biaCa"$a%ena& C'(bia)*+,)*+,
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DEFINICIONES DE BIOPROCESOS
Toda aplicacin tecnolgica (proceso industrial) ue utilice siste!as"iolgicos # organis!os $i$os o sus deri$ados para la creacin o!odi%cacin de productos o procesos para usos espec&%cos' (Institutode in$estigacin de Recursos Biolgicos leander $on *u!"oldt+,-./)0
Cualuier t1cnica o con2unto de t1cnicas (proceso industrial) ueutili3an organis!os $i$os o sus partes para o"tener o !odi%carproductos+ para !e2orar plantas o ani!ales+ o para desarrollar!icroorganis!os de uso espec&%co' (CO4CIENCIS+ .555)0
4a aplicacin de la ciencia # la ingenier&a al uso inno$ador+ directo oindirecto de organis!os $i$os o de sus partes en su 6or!a natural o
!odi%cada+ para la produccin de "ienes # ser$icios o para el!e2ora!iento de los eistentes' (Ernest and 7oung+ ,--,)0 Tecnolog&a cla$e para el nue$o !ilenio+ ue tiene un in!enso rango de
aplicaciones en !edicina+ agricultura+ procesa!iento de ali!entos+proteccin a!"iental+ !iner&a e incluso nanoelectrnica' (8nitedNations Con6erenca on Trade and De$elop!ent+ ,--,)
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Biotecnolog&a 9 Tecnolog&a cla$e
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Biotecnolog&a: Ca!pos de aplicacin (Biotecnolog&a #"io!edicina0 In6or!e sectorial+ ,-./0 8nin Europea)
Biotecnolog&a aplicada a la salud+ co!prende las aplicacionesterap1uticas+ diagnsticas+ de salud ani!al # de in$estigacin"io!1dica+ inclu#endo el desarrollo de ali!entos 6uncionales #nutrace;ticos (producto natural con accin terap1utica)0
Biotecnolog&a aplicada a los procesos agroali!entarios: dise
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Biotecnolog&a: Ca!pos de aplicacin (Biotecnolog&a #"io!edicina0 In6or!e sectorial+ ,-./0 8nin Europea)
#iotecnologa a$ul% basada en los recursos del mar !ara la generaci&n de
!roductos y a!licaciones de inter's industrial El mar cuenta con la mayor
biodi)ersidad del !laneta% !or lo *ue !otencialmente e+iste una gran )ariedad
de sectores *ue !ueden beneficiarse de la biotecnologa a$ul Si bien algunos
!roductos de la biotecnologa a$ul ya se utili$an% muc,os toda)a est-n enfase de in)estigaci&n
#iotecnologa a!licada al medio ambiente Estas a!licaciones se !ueden
subdi)idir en dos ramas de acti)idad .or un lado el mantenimiento de la
biodi)ersidad (a!licaci&n de la biologa molecular al an-lisis gen'tico de
!oblaciones y es!ecies integrantes de ecosistemas% o las t'cnicas de clonaci&ncon el fin de !reser)ar es!ecies" .or otro lado% la eliminaci&n de contaminantes
*ue utili$an microorganismos y es!ecies )egetales !ara el aislamiento y
eliminaci&n de sustancias (metales !esados% ,idrocarburos% entre otros% con la
!osibilidad de a!ro)ec,ar estas sustancias o utili$ar sub!roductos deri)ados de
esta acti)idad
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MODULO I
Conceptos Bsicos?edios de culti$o Esteuio!etria de las
reacciones"iolgicas
Factores a!"ientales uea6ectan el creci!iento
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DISEO DE MEDIOS DECULTIVO
Sumario:@ Esue!a general del proceso de
6er!entacin
@ Tipos de !edios de culti$os@ Etapas de dise
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I!T"ODUCCI#!
C'lula Medio Reactor .rocesos de
.urificaci&n
Efectos
Intracelulares
Efecto E+tracelular
(/umico"
Efecto
E+tracelular
(0sico"
.roducto
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ET$%$S %$"$ EL DES$""OLLODEL BIO%"OCESO
+. C-'$i (i/$ 2.Acetobacter sp 3.Ca0a 1e !e$"i4. C-'$i a
es#a'a !e2-e3a
4. 5e"(en$a1" +L.,. Me1i '62-i17. E/$"a##i8n#n s'en$e
9. P"1-#$b$eni1
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TI%OS DE MEDIOS DE CULTIVO&cont'(
MEDIO DEFI!IDO Estudio %siolgico Produccin
Venta)as Des*enta)as
Co!posicin conocida Estricto procedi!iento depreparacin
lto costo Tie!po?a#or reproduci"ilidad
en el proceso Factores de creci!iento
?a#or esta"ilidad duranteel al!acena!iento
?as 6>cil de puri%car1
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?icroorganis!os
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MICROOR2ANISMOS
Le)aduras Mo,os
Microalgas
Microalgas
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TI%OS DE MEDIOS DE CULTIVO
&cont'(MEDIO COM%LE+O Se "asa en co!ponentes naturales # su co!posicin
es desconocida0 Este !edio contiene etracto de le$adura+ peptona+licores de !a&3+ etc0 8sual!ente puede pro$eer 6actores de creci!iento
necesarios co!o $ita!inas+ =or!onas # ele!entostra3as+ dando co!o resultado un rendi!iento celular"astante alto0
Son !edios "aratos
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ET$%$S %$"$ EL DISEO DELMEDIO DE CULTIVO
SELECCINSELECCIN
5ORMULACIN5ORMULACIN
OPTIMI:ACINOPTIMI:ACIN
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ET$%$ DE SELECCI#!:Ingredientes del !edio
$spectos a tener en cuenta:
Funcin de los ingredientes
Inter1s creci!iento $s For!acin de
producto In6or!acin so"re el ?O+ los sustratos # el
proceso
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ET$%$ DE SELECCI#!
LOS M$C"O , MIC"O - ELEME!TOSpara el creci!iento # la 6or!acin de producto ?acroele!entos (5- 9 5A !asa seca)
C+ N+ O+ *+ S+ P+ + ?g0 ?icroele!entosCa+ ?n+ Fe+ Cu+ Co+ n+ B+ Cr # ?o
ita!inas (cido 6lico+ Biotina+ ita!ina ) !ino>cidos (Tript6ano+ ?etionina+ alina+ entre
otros0)
Otros co!puestos (e20 Gcidos grasos+ GcidosNucleicos)
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M$C"O!UT"IE!TES
Carbono3 0uente de energa
Nitr&geno3 Constituye cerca del 456 al 476 fuente de nitr&geno O+geno3 El agua celular constituye cerca del 856 de su !eso seco
.rinci!al ace!tor de electrones en el metabolismo aerobio
9idr&geno3 Constituye el :6 de su !eso seco Recurso de energa
0&sforo3 Constituye el ;6 de su !eso seco% est- !resente en -cidos nucleicos y
en la !ared celular de algunas bacterias 2ram !ositi)as
A$ufre3 Constituye cerca del 46 de su !eso seco Est- !resente en !rotenas y
en$imas
.otasio3 Es un cofactor de algunas en$imas y es re*uerido en el metabolismo
de carbo,idratos
Magnesio3 Es un cofactor de algunas en$imas y es est- !resente en !ared
celular y membranas
Cofactor3 Cuando se trata de iones o mol'culas inorg-nicas Algunos cofactores
entran a formar !arte del sitio acti)o y son integrantes de la !rotena en$ima!etros deter!inan laconcentracin de o&geno disuelto en el !ediode culti$o0
!:$elocidad de agitacin (rp!) # 2:Flu2o de
aire
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Composicin 4el me4io 4e culti*o: De"eproporcionar los nutrientes en cantidades
necesarias # no in=i"itorias puede in^uirnegati$a!ente en el costo del proceso
H: In^u#e de 6or!a signi%cati$a en laproducti$idad del proceso puede
6a$orecer la 6or!acin de !eta"olitosin=i"itorios0 4a H pti!a de creci!ientopuede di6erir de la pti!a de 6or!acinde producto
OTROS 5ACTORES
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MODULO II
Conceptos BsicosCulti$o Batc=Culti$o Continuo
ui!iostato
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TI%OS DE FE"ME!T$DO"ES , MODOSDE O%E"$CI#!
u1 es un 6er!entadorU0
Es un "iorreactor en el ue ocurren trans6or!aciones
u&!icas # "iolgicas0
#iomol'culas
#iomasa
Metabolitos
secundarios
Microorganismos
Medios de culti)o
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DE LOS FE"ME!T$DO"ES MODOS DE O%E"$CI#!
Culti$o porlotes o "atc=
Culti$ocontinuo
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CULTIVO %O" LOTES O B$TC1 En u< consisteN
Se carga el 6er!entador con el !edio co!pleto+ se esterili3a+ seinocula # no =a# interca!"io con el eterior durante todo el culti$o+ecepto en lo re6erente a los gases0 Por lo tanto se puede decir uese co!porta co!o un siste!a cerrado0
.re!araci&n del
medio de culti)oEsterili$aci&n
del fermentadorInoculaci&n
del fermentador0ermentaci&n
Aire
Cosec,a CO8
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VE!T$+$S DEL CULTIVO B$TC1
Si!ple
Ba2o riesgo de conta!inacin
Es !u# ;til para estudios iniciales de un proceso
Per!ite:
@ 2ustar $aria"les de operacin # deter!inar la interaccin entre ellas
@ De%ne los !edios de culti$o
@ Deter!ina la $elocidad pti!a de creci!iento # de 6or!acin deproductos
@ De%ne rendi!ientos
@ Rendi!ientos: "io!asasustrato (7s) productosustrato (7ps)"io!asaproducto (7p)+ "io!asao&geno (7O,)
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F$SES DE C"ECIMIE!TO E! U!CULTIVO B$TC1
Fase la/ o 4e a4aptacin: 4os !icroorganis!o tratan de adaptarse alas nue$as condiciones de culti$o0
IM%O"T$!TE:4a producti$idad depende !uc=o de la duracin de esta6ase0
C!o pode!os !ini!i3ar la 6ase de adaptacinU
Fase e6ponencial: 4a acti$idad "iou&!ica # "iolgica es !>i!a Es donde se alcan3a el !a#or rendi!iento "io!asa ` sustrato0
Fase estacionaria: 4a concentracin de c1lulas se !antiene constante0Su i!portancia industrial depende del producto de inter1s0
Fase 4e muerte celular: 4a $elocidad de !uerte supera a la dereproduccin+ tiene poca i!portancia desde el punto de $istaindustrial0
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B$L$!CES DE M$S$ E! U!CULTIVO B$TC1
Mo4elo 4e crecimiento para tanues a/ita4os:
Suposicin:
Mecla per>ecta:todos los par>!etros dentro del 6er!entador soniguales en cualuier punto para un instante deter!inado de tie!po
Balance de "io!asa en el 6er!entador "atc=
Balance /eneral: entra H crece M sale H consu!e H acu!ula
En el >ermenta4or 9atc: crece M acu!ula
Balance de "io!asa en el 6er!entador "atc=
Balance /eneral: entra H crece M sale H consu!e H acu!ula
En el >ermenta4or 9atc: - M consu!e H acu!ula
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OT"OS %$"PMET"OSC$"$CTE"3STICOS E! U! CULTIVOB$TC1
N;!ero de generaciones o duplicaciones
Tie!po de duplicacin
Rendi!ientos
Productosustrato (7ps) Bio!asasustrato (7s)
Producti$idad
Producti$idad $olu!1trica (P) Producti$idad espec&%ca (p)
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DESVE!T$+$S DEL CULTIVO B$TC1
4a producti$idad es "a2a:
@ Eiste in=i"icin del creci!iento por alta concentracin de sustrato
@ No se puede controlar la $elocidad de creci!iento
4os productos son !enos uni6or!es ue en otros tipos de culti$os
u!entan los costos por t1cnicas anal&ticas # por 6acilidades auiliaresco!o $apor para esterili3acin+ agua para 6regado+ electricidad+utili3acin de >rea # 6uer3a de tra"a2o
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CULTIVOCO!TI!UOE! 2UQ CO!SISTEN Co!ien3a co!o un culti$o "atc= # a partir de un deter!inado
!o!ento se co!ien3a a ali!entar !edio 6resco # a etraer c1lulas #!edio agotado de tal !anera ue se !antengan las condiciones en el6er!entador0 Cuando las adiciones # etracciones se =acen !u#
seguidas el culti$o es continuo # el $olu!en de"e per!anecerconstanteMedio de
culti)o fresco
Aire
.re!araci&n del
medio del
culti)o inicial
Esterili$aci&n del
fermentadorInoculaci&n del
fermentador
.re!araci&n
del incremento
Esterili$aci&n del
incrementoAdici&n del
incremento
0ermentaci&n
Cosec,aMedio de
culti)o CO8
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Culti$o en un tanue agitado al cual se le
ali!enta de 6or!a continua !edio 6resco # seetrae culti$o a la !is!a $elocidad0 Consta
con toda la instru!entacin # 6acilidadesauiliares de un reactor con$encional0
Electrodos de p*+ sensor de te!peratura+^u2!etro+ %ltro de aire0 Su!inistro de $apor+aire de proceso # de instru!entacin+ aguade en6ria!iento0 Siste!a de adicin de !edio# de etraccin de culti$o0
QUIMIOSTATOQUIMIOSTATO
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Mecla %er>ecta:
El ui!iostato se considera una !e3cla per6ecta+ o sea ue noeiste di6erencia de concentracin de sustrato+ "io!asa ni productoentre los di6erentes puntos del reactor # el !edio 6resco al caer seune instant>nea!ente al culti$o ue contiene los !icroorganis!os0
%roce4imiento para lle*ar a ca9o un uimiostato Se reali3a un procedi!iento igual al culti$o "atc=+ se inocula el
6er!entador con el !icroorganis!o+ se espera la 6ase deadaptacin # al llegar a la 6ase de creci!iento se co!ien3a laadicin de !edio # etraccin de culti$o0
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Estas ecuaciones se o"tienen de los "alances de !asa ue se puedenplantear para "io!asa+ sustrato # producto0
Esta4o Estacionario 464t ; 4s4t ; 4%4t ; R Balance 4e 9iomasa
B entraBcrece;Bsale Bcu!ula &'(
Entra en el tie!po ; F6R
Crece en el tie!po ; JV
Sale en el tie!po ; FJ
cu!ulacin en el tie!po M 464t
E#-a#ines b=si#as 1e' 2-i(is$a$>E#-a#ines b=si#as 1e' 2-i(is$a$> ?5e"(en$a1"?5e"(en$a1"si(!'e e$a!a #n a'i(en$a#i8n es$@"i'.si(!'e e$a!a #n a'i(en$a#i8n es$@"i'.
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l ser ali!entacin est1ril # no =a"er acu!ulacin0
J V ; FJ &'(
J V &'(
V ; F &'(
; FV &'( ; D &'(
Esta ecuacin signi%ca ue los !icroorganis!os seetraen del reactor a la !is!a $elocidad ue se 6or!an+deter!inando el estado estacionario del 6er!entador0
BALANCE DE BIOMASABALANCE DE BIOMASA
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Sustitu#endo ?onod en (.0A)
D ; Hm6' SSs
De esta epresin se de%ne ue %2ada una concentracin de sustratose %2a la D0 Con esta ecuacin no se puede conocer la concentracinde "io!asa a alcan3ar en el 6er!entador0
ea!os con un "alance de sustrato0
S entra ; S sale S consumi4o S acumula4oEntraM F SR
Sale M F SConsu!o M J V m6
, 6s
cu!ula M U
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5S* 5S V ?).+ /Fs
5 ?S*&S V ?).) /Fs
Dii1ien1 en$"e V
5 ?S*& S ?).HV /Fs
D ?S*& S ?).J
/Fs
/Fs ?S* S ?).4
D (=/. S ?+.4SKs
/Fs ?S* S ?).4
Estas son las ecuaciones b-sicas de dise=o del *uimiostato
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E2ercicio:
Considere!os un ui!iostato en el cual se produce"io!asa a partir de glucosa con las siguientes condiciones:
FM.--l=+ S-MAgl+ .MA--4+
_!M-0/=.
+sM-0.gl+7sM-0gg0
Deter!inar la concentracin de c1lulas# glucosa en ele^uente del reactorU
J ; , 6s &SR S( ; FV D; sDm -D
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CULTIVO CO!TI!UO
Venta)as
Prolonga a;n !as las condiciones del culti$o (!eses)
Dilu#e constante!ente co!puestos ticos presentes(nunca llegan a la concentracin tica)
El o los sustratos principales son su!inistrados en la!is!a !edida en ue son consu!idos+ por lo ue no seacu!ulan
Se produce "io!asa # productos de inter1sconstante!ente
u!enta el rendi!iento del proceso
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CULTIVO CO!TI!UO
Venta)as &continuacin(
Per!ite controlar _ en el $alor opti!o deproduccin !anipulando la ali!entacin delsustrato principal
u!enta la producti$idad delproceso porue
dis!inu#en los tie!pos i!producti$os (6regado+esterili3acin+ carga # descarga)
El producto es !>s =o!geneo
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