Analisis Del Crecimiento Microbiano

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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