Crecimiento Microbiano Lectura 2

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Ing. Mara Eugenia Caldern

CRECIMIENTO MICROBIANO, ASPECTOS GENERALES

Un proceso de crecimiento celular implica el consumo de sustratos que suministren la energa y nutrientes necesarios para la sntesis del material

celular y productos del metabolismo. Cuando se implementa un sistema para el

crecimiento microbiano, en algunos casos es de inters la produccin de

biomasa sin mayor cuidado en otros productos como metabolitos primarios o secundarios, en otros casos, el inters est centrado en la obtencin de

productos metablicos.

En un medio de crecimiento, pueden producirse una variedad de productos que

se acumulan intracelularmente o son liberados al medio. Una forma de evaluar

los sistemas es a travs del rendimiento, ya sea de biomasa o de otros

productos.

Rendimiento biomasa - sustrato: siendo X el incremento en la masa

celular y S el consumo de sustrato, se puede definir el rendimiento

biomasa sustrato (cuyas unidades se derivan de la forma de medicin de la

biomasa y del sustrato, p. ej. G peso seco de biomasa/g de sustrato) como

sigue:

S

XY

s

x

(1)

Rendimiento producto sustrato: de manera anloga a la forma de definicin del rendimiento de biomasa, es posible definir el rendimiento de

producto en relacin con el sustrato, siendo P el producto obtenido y S el

consumo de sustrato

S

PY

s

P

(2)

Fases del Crecimiento

Cuando el crecimiento microbiano se da en un reactor discontinuo, el

crecimiento celular ocurre dentro del reactor y, al no haber alimentacin posterior, el crecimiento se detiene cuando el nutriente esencial se agota o

cuando se llega a una acumulacin de algn producto txico del metabolismo.

En la figura 2 se pueden observar las fases de crecimiento.

2


Fases de Crecimiento Celular en Cultivo Discontinuo

Tiempo

Lo

g X

Fase

estacionaria

Fase de latencia

Fase

exponencial

Fase de

muerte

Fase decreciente

Fuente: Casablancas, F. et al. Ingeniera Bioqumica. Editorial Sntesis. Primera edicin. 1998. Madrid, Espaa. p 87

Como se observa en la figura 2, en la fase de latencia (fase lag) no se produce

crecimiento celular significativo. A continuacin tiene lugar una fase de

crecimiento exponencial en la que el crecimiento tiene lugar a una tasa constante (), en esta fase puede considerarse que el proceso est

balanceado, entendindose como que no existen limitaciones y el

comportamiento metablico de la clula es bsicamente el mismo. La ecuacin

que describe el aumento celular en esta fase est dado por:

Xdt

dX (3)

Siendo X la concentracin celular y la tasa de crecimiento en esta fase.

Si se toma una concentracin Xo como la concentracin al final de la fase de

latencia (tlag) que depende el inculo utilizado, la forma integrada de esta

ecuacin es:

lagtt

Xo

X ln (4)

lagttXoeX

con ttlag (5)

La forma de determinacin de es una representacin semilogartmica.

3


Tambin se define el tiempo de duplicacin (td) como el tiempo requerido para

que el peso seco de clulas sea el doble

2lndt (6)

En algunas ocasiones se ha encontrado que el tiempo de duplicacin para el

nmero de clulas puede diferir del de peso seco, como resultado de una masa celular por clula no constante, en cuyo caso se define como la velocidad de

crecimiento especfico del nmero de clulas (hr-1) de manera separada a la tasa de crecimiento especfico, :

dt

dN

N

1

dt

dX

X

1 (7)

Luego de la fase de crecimiento exponencial, la tasa de crecimiento decrece y

es seguida por una fase estacionaria. La duracin de la fase estacionaria puede variar dependiendo del tipo de clulas, condiciones de crecimiento previo,

entre otros. Algunas clulas se lisan, drenando nutrientes que pueden ser

consumidos por otras clulas, manteniendo la poblacin. Posteriormente tiene lugar la fase de muerte en la que la poblacin decrece. La velocidad en que

decrece es tambin exponencial y puede ser representada como:

Xkdt

dXd (8)

Por otro lado, en el caso de cultivo continuo se mantiene un caudal constante a

la entrada y a la salida, la mezcla en el reactor hace que las concentraciones

en su interior sean homogneas e iguales a las de la corriente de salida. Una

vez se fijen unas condiciones de operacin, la poblacin celular evoluciona a un estado estacionario. Utilizando la definicin de velocidad de dilucin, siendo Q

el caudal de alimentacin y V el volumen del reactor:

V

QD (9)

y aplicando un balance de masa, se llega a:

XDDXe (10)

Como normalmente la alimentacin es estril, se tiene:

D= (11)

Con lo anterior se tiene que fijando distintos grados de dilucin se establecen distintas velocidades de crecimiento. Lo anterior ocurrir mientras no se

supere el lmite de lavado del reactor que se define como aquel en que la

velocidad de dilucin es superior a la mxima velocidad de crecimiento. Cintica del Crecimiento

4


Por otro lado, en lo que tiene que ver con los modelos cinticos que describen

el crecimiento microbiano, dada la complejidad de los sistemas celulares, han sido desarrollados en diversos grados de complejidad, as, los modelos

cinticos para describir el crecimiento celular pueden agruparse en dos grades

categoras que a su vez se subdividen en dos.

La primera de ellas tiene que ver con la ptica de anlisis desde la cual se

aborda la poblacin celular, es decir, el anlisis de una poblacin celular

heterognea con sus caractersticas particulares en contraposicin al anlisis de las clulas con un comportamiento promedio, estos son los modelos

segregados y no segregados. La segunda categora, modelos estructurados o

no estructurados, corresponde al anlisis del crecimiento en relacin con los

distintos compartimientos que tiene la clula y el la totalidad de componentes que hay en el medio , el anlisis a travs del sustrato que se considera

limitante.

La expresin comnmente utilizada, es la ecuacin de Monod, que describe el

crecimiento celular en funcin del sustrato limitante:

SKs

SX

dt

dXrx max (12)

Donde rx es la velocidad de crecimiento de las clulas, max es la velocidad

especfica mxima de crecimiento y Ks la constante de Monod.

Es comn expresar la anterior ecuacin en funcin de la velocidad especfica de crecimiento, :

SKs

Smax (13)

Donde: es la tasa especfica de crecimiento, max es la tasa especfica mxima

de crecimiento que se puede alcanzar cuando SKs y las concentraciones del

resto de nutrientes no ha cambiado de manera notable. S es la concentracin

de sustrato y Ks es el valor de la concentracin de nutriente limitante a la que se cumple =0.5 max. Sin embargo en muchos casos se han propuesto

modelos alternativos para describir datos experimentales que no obedecen

esta ecuacin. Se han desarrollado otros modelos tales como los de Tessier,

Moser, Contois entre otros.

Adicionalmente, debe tenerse en cuenta que en muchos casos el crecimiento

celular tambin se afecta por la inhibicin por sustrato o por producto. Se han

desarrollado algunos modelos, Andrews y HOAC, Webb, Aiba et al, Teissier, Tseng y Giman para el primer caso y, Dagley y Hinshelwood, Holzber et al,

Ghose y Tyagi, Aiba y Shoda, Jerusalimsky y Neronova y Levespiel para el

5


segundo. As mismo, Han y Levespiel propusieron una ecuacin de Monod

generalizada, que intenta cubrir la mayor parte de los casos, siendo Ci la

concentracin del inhibidor y Ci es la concentracin crtica del inhibidor que

para totalmente el proceso, n y m son constantes normalmente relacionadas

con el poder txico del inhibidor:

m

n

Ci

CiKsS

S

Ci

Cim

1

1 (14)

Cuando CiCi* la ecuacin se reduce a la de Monod. La ecuacin 14 puede ser

expresada como se muestra en la ecuacin 15 y las constantes de la ecuacin se pueden evaluar a partir de una linealizacin, mediante una representacin

del tipo Lineweaver-Burk, de

1 frente a S

1 :

n

m

Ci

CiS

Ci

Ci

Ci

CiKs

*max*max

*

1

11

1

11

(15)

Las formas de inhibicin ms comunes pueden ser clasificadas en seis: a)

inhibicin no competitiva, con n0 y m=0; b) inhibicin competitiva, con n=0 y

m=; c) inhibicin generalizada, con nm0; d) inhibicin generalizada, con

mn0; e) inhibicin anticompetitiva, con n=m0 y, f) caso general, n= y

m0.

Cintica de Consumo de Sustrato y Formacin de Producto

En lo que tiene que ver con la formacin de productos, se han establecido tres

tipos de sistemas de fermentacin:

a) Tipo 1: productos asociados al crecimiento, en ellos, la formacin del

producto es funcin del consumo de sustrato.

b) Tipo II: productos parcialmente asociados al crecimiento. La formacin.

La formacin del producto depende solo parcialmente de la formacin del sustrato.

c) Tipo III: productos no asociados al crecimiento. La formacin del

producto no depende del consumo de sustrato.

Las expresiones de velocidad de formacin de productos, rp, para cada uno de

los tipos pueden derivarse de la ecuacin propuesta por Luedeking y Piret:

XXXrr xp (16)

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El primer trmino de la ecuacin est asociado al crecimiento y el segundo a la

concentracin de clulas.

En lo que tiene que ver con la relacin entre crecimiento y consumo de

sustrato, rs, se puede usar la siguiente expresin para relacionar la velocidad

de consumo de sustrato, la concentracin de clulas y la velocidad de

crecimiento:

mXXY

rSX

s

1 (17)

Donde m es el coeficiente de mantenimiento y el rendimiento entre las clulas

obtenidas y el sustrato consumido.

Los modelos que se han planteado antes corresponden a modelos no

estructurados y no segregados en el sentido que se consideran todas las clulas como iguales y desde el punto de vista cintico se asumen como un

componente ms en el medio sin tener en cuenta ninguna estructura interna.

Cuando se requiere mayor detalle en el anlisis, es necesario recurrir a

distintas aproximaciones al plantear modelos estructurados:

a) Modelos compartamentalizados: en los que se asume la clula formada por un nmero reducido de compartimentos; sinttico, estructural, entre

otros.

b) Modelos metablicos: se consideran las distintas reacciones metablicas que se producen en el interior de la clula y sus formas de regulacin.

c) Modelos estructurados qumicamente; basados en el papel que cumple

uno de los compuestos cuya composicin es distinta en fases distintas. d) Modelos estructurados morfolgicamente: basados en la distinta

actividad de la clula en funcin de una morfologa.

e) Modelos estructurados genticamente: se basan en los distintos pasos

que se llevan a cabo en la maquinaria celular para llegar a la obtencin de un producto.

TCNICAS DE FERMENTACIN

Fermentaciones en estado slido

Se denomina fermentacin en estado slido "es un proceso microbiolgico que ocurre comnmente en la superficie de materiales slidos que tienen la

propiedad de absorber y contener agua, con o sin nutrientes solubles"

Se consideran como ventajas de la fermentacin en estado slido, entre otras Los medios de cultivo son simples, generalmente subproductos agrcolas lo que

los hace econmicos.

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La baja actividad del agua ayuda a evitar contaminaciones, especialmente

de bacterias y levaduras.

La concentracin natural del sustrato permite utilizar reactores ms pequeos en comparacin con los utilizados en otro tipo de fermentacin.

Pueden emplearse, frecuentemente conidios como inculo en los procesos

de crecimiento de hongos, lo cual disminuye los costos y las manipulaciones

en la preparacin del inculo. Los conidios de los hongos que se producen en el medio slido son mucho

ms resistentes.

Entre las principales desventajas se encuentran:

Aplicacin limitada a microorganismos que crecen en bajos contenidos de

humedad. La extraccin del calor metablico puede ser un problema, sobre todo

cuando se trabaja a gran escala y no se controla el proceso.

La naturaleza slida del sustrato trae problemas al medir los parmetros de

la fermentacin tales como el pH, la temperatura, el contenido de humedad y la concentracin de sustrato y productos.

Los procesos de transferencia de masa son limitados por la difusin.

Muchos aspectos ingenieriles como el diseo de reactores y el escalado estn muy poco caracterizados.

El tiempo de fermentacin es mayor debido a que generalmente se utilizan

microorganismos que presentan bajas velocidades especficas de

crecimiento.

Las condiciones ambientales tales como la humedad, la actividad acuosa, el pH, la temperatura, la concentracin y disponibilidad del sustrato, la aireacin,

el tamao de partculas y la forma de inoculacin afectan significativamente

tanto el crecimiento como la formacin de productos. Mientras en el cultivo lquido agitado el control de las condiciones ambientales es relativamente

simple, ya que estos sistemas son homogneos desde el punto de vista de la

concentracin celular, nutrientes y productos, en los sistemas slidos se presentan problemas con el mezclado, la transferencia de oxgeno, el

intercambio de calor y el control de la humedad y el pH, debido,

principalmente, a la heterogeneidad y la consistencia del sistema.

a) Humedad y la actividad acuosa (aH2O): no slo la cantidad de agua

presente en el sistema ejerce su influencia sobre la eficiencia del proceso, tambin el carcter de las interacciones entre el agua y el medio slido. La

actividad acuosa (aH2O) es el parmetro utilizado para caracterizar

cuantitativamente las interacciones fsicas y/o qumicas del agua en el sistema.

b) pH: afecta el desarrollo de los procesos de fermentacin en estado slido, al igual que lo hace en los cultivos sumergidos. Sin embargo, en el caso de la

fermentacin slida, su control es prcticamente imposible

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c) Temperatura: la temperatura es la variable cuyo control en la

fermentacin slida se considera el ms crtico debido a la alta concentracin

de sustrato por unidad de volumen y a la baja conductividad trmica del sistema heterogneo slido - lquido - gas, lo que favorece la acumulacin del

calor metablico en el sistema y un aumento de la temperatura del cultivo.

d) Concentracin y disponibilidad del sustrato: al igual que en los cultivos

sumergidos, la concentracin de sustrato ejerce una influencia sobre el

desarrollo del microorganismo. Hasta el momento, tal influencia no est caracterizada en trminos de limitacin o inhibicin como en los cultivos

sumergidos, pero al parecer los efectos de limitacin podran ser mayores que

en las fermentaciones slidas

e) Aireacin: en la mayora de los procesos de fermentacin en estado slido participan microorganismos aerobios, y resulta la aireacin un factor

fundamental para el desarrollo del proceso. La aireacin en las FES es ms fcil

que las fermentaciones sumergidas, porque la superficie de contacto es mayor

entre el aire y el lquido que est absorbido en las partculas.

f) Tamao de partcula: el tamao de partcula est ligado a la transferencia de masa en el sistema de fermentacin en estado slido, en la transferencia de

masa intrapartcula influye ms el tamao y la forma del poro de la partcula,

as como la porosidad, aunque tambin influye el tamao de la partcula; en la interpartcula el espacio interpartcula es lo ms importante y es afectado por

el tamao de la partcula, su forma y la humedad.

g) Inculo: puede usarse esporas o el micelio. El uso del micelio da como

ventajas una mejor competitividad del hongo, una reduccin de la posible

colonizacin del sustrato por microorganismos contaminantes y la colonizacin ms rpida debido a que se reducen los tiempos de incubacin o el uso de

suspensiones de esporas cuya principal ventaja es la reduccin de los costos

en la etapa de propagacin del microorganismo.

Existen algunos aspectos a tener en cuenta al momento de desarrollar algn

proceso de fermentacin en estado slido:

Seleccin del microorganismo, solamente los hongos y las levaduras poseen

potencial para crecer en sustratos slidos, an cuando algunas bacterias

pueden ser manejadas adecuadamente en estado slido.

Seleccin del sustrato apropiado, el sustrato puede ser un residuo agroindustrial, sin embargo, no necesariamente el soporte slido coincide

con el sustrato, pues puede usarse un soporte inerte con una solucin de

nutrientes, buscando mejor transferencia de oxgeno. Las mayores consideraciones a tener en cuenta en la seleccin del sustrato, una es el

sustrato mismo y la otra la posibilidad de producir el metabolito o producto

de inters en ese sustrato.

9


Seleccin de parmetros y optimizacin, humedad inicial, tamao de

partcula, temperatura de incubacin, humedad relativa, pH, pretratamiento

del sustrato, agitacin y aireacin, tamao del inculo, suplementacin de nutrientes.

Mtodo de recuperacin y separacin de productos.

Fermentaciones en Medio Sumergido

La fermentacin en medio sumergido corresponde al proceso microbiolgico en el que el sustrato se encuentra diluido o suspendido en una gran cantidad de

agua.

En el desarrollo de procesos fermentativos en medio sumergido es necesario

conocer la morfologa y su relacin con la formacin de productos, dado que

cada hongo es nico en su desarrollo anatmico, morfolgico y fisiolgico.

Frente a la fermentacin en estado slido, la fermentacin en medio sumergido

ofrece entre otras las siguientes ventajas:

1) Los tiempos requeridos para el crecimiento y generacin de metabolitos es

menor.

2) Se mejoran los procesos de transferencia de masa y de calor. 3) El control de las condiciones de proceso se facilita, entre otros pH,

temperatura, disponibilidad de oxgeno, entre otros.

4) Facilita la estandarizacin de procesos y el control de calidad de los

productos. 5) Permite el desarrollo de estrategias de produccin en cultivo continuo.

6) Desde el punto de vista ingenieril, existen avances en relacin con las

estrategias de diseo de reactores y escalado.

Fermentaciones con cultivo inmovilizado

La inmovilizacin consiste en la localizacin del microorganismo en una regin

definida del espacio, manteniendo al mismo tiempo una actividad metablica y

viabilidad deseada. En cultivo inmovilizado, el transporte de sustratos y

productos se produce por mecanismos difusionales prioritariamente. Como ventajas del cultivo inmovilizado se tiene

La posibilidad de usar de manera continua el microorganismo dado que queda retenido en el biorreactor mientras que se puede mantener ingreso

de sustrato y salida de productos continua. Los biorreactores pueden

entonces operar con flujos mayores a los correspondientes al lmite de

lavado que se observa en cultivos libres. Las clulas se protegen por daos mecnicos producidos por la agitacin.

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En operacin discontinua, la inmovilizacin facilita la reutilizacin de la

biomasa, adicionalmente se aumenta la concentracin con respecto a un

proceso en el que se encuentre suspendido. Suelen reducirse los efectos de contaminacin accidental del proceso, pues

las clulas contaminantes que se encuentran en suspensin y en menor

concentracin pueden ser eliminadas con mayor facilidad.

Entre los inconvenientes que presenta la inmovilizacin estn el posible efecto

del proceso de inmovilizacin sobre la actividad de las clulas, se limita la

velocidad de difusin de sustratos y productos dentro del sistema inmovilizado y se incorpora una nueva etapa en el proceso, la inmovilizacin, lo que lo hace

ms complejo. Adicionalmente, dependiendo del tipo de clula, los

requerimientos nutricionales de clulas vivas inmovilizadas pueden ser

complejos lo que incrementa los costos de la corriente de alimentacin y complicar la purificacin de los productos; la recuperacin de productos de un

reactor de clulas inmovilizadas implica que estos sean extracelulares.

Tomando como base el mecanismo de inmovilizacin, los mtodos se pueden

clasificar en cinco grupos a saber:

a) Adsorcin: la inmovilizacin se produce por efectos de la interaccin de tipo

inico o fuerzas de atraccin dbiles. Consiste en poner en contacto una

suspensin de microorganismos con un adsorbente activo.

b) Inmovilizacin por enlace covalente: se realiza sobre la superficie de un soporte con interacciones de tipo covalente. Es un mtodo aplicable

principalmente en la inmovilizacin de enzimas.

c) Enlaces cruzados y auto inmovilizacin: en esta tcnica no existe soporte propiamente dicha, la inmovilizacin se logra por procesos de floculacin de

las clulas, en aquellos casos en que las clulas tienen la capacidad de

formar agregdos macromoleculares (flculos o pellets) d) Inmovilizacin por atropamiento o inclusin: formacin de una estructura

tridimensional en cuyo interior queda atrapado en forma uniforme el

microorganismo. La estructura del soporte debe permitir tanto la inclusin

del microorganismo como la difusin de los sustratos y productos. Se pueden distinguir dos tipos de materiales para la conformacin de la matriz,

los polmeros sintticos, geles de poliacrilamida, y los geles de origen

natural, azarosa y carragenatos. e) Sistemas de inmovilizacin por membranas: microencapsulacin y

membranas preformadas. El microorganismo se inmoviliza en el interior de

un espacio delimitado por una membrana.

Los sistemas inmovilizados pueden ser empleados en un amplio rango de

configuraciones de reactor (lote, tanque agitado, tanque agitado, tanque

agitado multietapas, lecho fijo, lecho fijo con recirculacin, lecho fluidizado, lecho fluidizado con reciclo), y como consecuencia de la alta concentracin de

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biocatalizadores que se puede lograr, es posible obtener altas productividades

volumtricas.

BIORREACTORES, TIPOLOGA Y ELEMENTOS DE ANLISIS

Reactor Discontinuo de Tanque Agitado

Un reactor ideal de mezcla perfecta es espacialmente homogneo como

resultado de agitacin intensa. Con un control adecuado de pH y temperatura, estos parmetros pueden ser mantenidos en valor uniformes a travs del

reactor.

En este tipo de reactores tanto el medio de fermentacin como el inculo se introducen en el sistema al inicio de la operacin, salvo alimentacin o salida

de gases y la adicin de antiespumantes o reguladores de pH.

Usualmente, los equipos discontinuos operan a bajas densidades celulares,

principalmente en los periodos iniciales de la fermentacin, adems es

necesario evitar elevadas concentraciones de sustrato en la alimentacin para evitar as fenmenos de inhibicin. En equipos operando discontinuamente, la

fermentacin tarda en completarse dado que en el periodo final las condiciones

son poco favorables, mxima concentracin de productos y mnima de

sustratos, por lo que la velocidad del proceso disminuye. El proceso se lleva a cabo hasta lograr un nivel de conversin deseado y, por tanto, se modifica la

composicin de los componentes en el sistema en la medida en que transcurre

el proceso.

Un reactor ideal de mezcla perfecta es espacialmente homogneo como

resultado de agitacin intensa. Con un control adecuado de pH y temperatura, estos parmetros pueden ser mantenidos en valor uniformes a travs del

reactor. La forma ms general de balance de masa alrededor del reactor para

una especie de inters se indica a continuacin, siendo V el volumen del

reactor, Ci la composicin del componente i y Cj la composicin de otra especie que tiene influencia en la reaccin y r(Ci,Cj) es la velocidad volumtrica de

formacin de Ci por reaccin:

CjCiVrdt

dCiV, (25)

La ecuacin de balance global para el sistema est dada por:

0dt

Vd (26)

12


La ecuacin de conservacin de energa para el sistema (siendo rx la tasa

volumtrica de incremento de la masa celular, Cp la capacidad calorfica, Q el

flujo de calor asociado con el control de temperatura, -Ws la generacin de calor por agitacin y HR el calor de reaccin), puede ser descrita por:

WsQVrHdt

dTVCp xR (27)

Reactor Discontinuo de Lote Alimentado (Fed Batch)

En este esquema de operacin, el sustrato se alimenta en cargas cclicas o

escalonadas y no se retira producto del sistema con lo que el volumen del

sistema vara. El sustrato se adiciona en la medida que se va consumiendo

para mantenerlo en valores que generen velocidades aceptables. Esta forma de alimentacin permite solucionar algunos problemas de la operacin por lotes

como es la de inhibicin, pues permite modificar o controlar la concentracin

de uno o ms nutrientes o sustrato del medio. Un balance de materia aplicado a este proceso (siendo Qe el caudal alimentado con una composicin del

componente i Cie) resulta en:

iiee VrCQVCidt

d (28)

Reactor Continuo de Tanque Agitado (Continuous Stirred Tank Bioreactors, CSTR)

La mayor parte de estos equipos son cilndricos con un sistema de

homogenizacin, por general mecnico, garantizando as que la composicin sea la misma en cualquier parte del reactor. En estos procesos hay una

entrada y salida continua de medio lquido, de tal forma que el volumen es

constante.

Los reactores ideales continuos de tanque agitado (tambin conocidos como

quimiostato). Se ha encontrado que estos reactores, usados para mantener el cultivo microbiano en un valor de estado estable, puede ser cambiado a una

tasa de crecimiento por encima de max, esto es una ventaja importante que

rompe lo que se pensaba tradicionalmente que en el tiempo de crecimiento

estable, el microorganismo nicamente lo puede hacer a la tasa mxima,

correspondiente al tiempo mnimo de duplicacin en cultivo por lotes. Por lo

13


anterior, el estudio de la fisiologa en cultivo continuo en un reactor de mezcla

perfecta, tiene importancia para entender el ciclo celular, el metabolismo de

regulacin y de formacin de productos.

En la figura 3 se puede observar la configuracin de un reactor continuo de

mezcla perfecta. La agitacin puede ser dada por un agitador o por burbujas

de gas. Igualmente, la temperatura puede ser controlada por circulacin de agua fra a travs del recipiente o usando camisa. El pH es controlado por

adicin de cido o base.

Reactor Continuo de Tanque Agitado

Fuente: adaptado de Blanch, H. Clark, D. Biochemical Engineering. Editorial Marcel Dekker. Primera edicin. New Cork. p 281

Las ecuaciones de balance de materia (con lasas volumtricas de alimentacin Fin y Fout), considerando el caso en que solamente un sustrato (S) limita la tasa

de crecimiento del microorganismo y que la tasa volumtrica de crecimiento

est dada por X, son:

XVXFXFdt

dXVoutoin (29)

XVY

SFSFdt

dSV

s

x

outoin 1

(30)

Entrada de alimento: Xo, So, Fin

Control de pH:

Adicin de base o cido

Entrada de aire estril

Salida de aire: O2, CO2

Salida de productos y alimento: P, X, S, Fout

Volumen de lquido, V

14


outin FFdt

dV (31)

Cuando las tasas volumtricas de alimentacin se mantienen constantes (F) las

ecuaciones se simplifican:

XXXV

F

dt

dXo (32)

XY

SSV

F

dt

dS

S

X

o 1

(33)

Como ya se mencion, la relacin V

F es conocida como la tasa de dilucin, D,

que es el inverso del tiempo de residencia dentro del reactor, , igual al

nmero de volmenes de reactor que pasan en la unidad de tiempo.

Cuando el sistema opera en estado estable, la derivada con respecto al tiempo

es casi cero; cuando el alimento es estril, Xo es cero y, resulta =D, es decir,

en un quimiostato la velocidad especfica de crecimiento coincide con la velocidad de dilucin.

Si se considera que el modelo de crecimiento microbiano ocurre segn la cintica de Monod, a partir de los balances de materia se pueden establecer las

siguientes ecuaciones:

Para biomasa, B:

0max

XD

SKs

SDX o

(34)

Para producto, P:

0max

XSKs

SYPPD

X

Po

(35)

Para Sustrato, S:

S

P

p

S

X

oY

Xr

SKsY

SXSSD

max

(36)

En la medida en que la velocidad de dilucin, D, aumenta, la conversin de

sustrato va disminuyendo. Cuando la velocidad de dilucin iguala a max, la

salida de biomasa como consecuencia del flujo (DX) es mayor que la generada

por el crecimiento (X), entonces se produce un descenso pronunciado en la

concentracin de biomasa, fenmeno conocido como lavado del biorreactor. La mxima productividad celular se alcanza en un punto cercano al del lavado; la

dilucin que permite maximizar la productividad puede establecerse mediante:

15


5,0

max 1os

s

mSK

KD (37)

En los casos en que el reactor opera en un rgimen no estacionario, es

necesario incluir los trminos de acumulacin de masa en las ecuaciones de

balance de materia, as:

Para biomasa, X: XXXDdt

dXo (38)

Para sustrato, S:

S

P

px

S

X

oY

r

YXSSD

dt

dS (39)

Para el producto, P: XrPPDdt

dPpxo (40)

Cuando se hace necesario aumentar la concentracin celular en el reactor, es

posible implementar un reactor continuo de tanque agitado con recirculacin celular acoplando un sistema de separacin de la biomasa (centrifugacin,

filtracin, decantacin, entre otros) y alimentando nuevamente parte de la

masa celular.

Si QR, es el caudal recirculado con XR, SR, PR concentracion celular, de sustrato

y de producto respectivamente y Qw es el caudal que sale del sistema con XW,

SW, Pw concentracion celular, de sustrato y de producto respectivamente; las ecuaciones de balance de materia estn dadas por:

Biomasa, X: XQQXQXQXVdt

dXV RoRRoo (41)

Sustrato, S: VrSQSQSQdt

dSV soRRoo (42)

Producto, P: VrPQPQdt

dPV P 000 (43)

Reactores Continuos de Tanque Agitado Conectados en Serie

16


La configuracin de sistemas de CSTR en serie es aplicable en los casos en

que:

a) Se requiere que el cultivo pase por diferentes estadios fisiolgicos con el fin de producir el producto deseado, puede configurarse una combinacin

de reactores CSTR con el fin de lograr la mejor configuracin, con

pequeos volmenes de reactores en donde ocurre un cierto grado de

conversin a productos. b) En las situaciones en las que la formacin de productos ocurre a

diferentes condiciones de temperatura y pH de las que ocurre el

crecimiento, puede configurarse una serie de reactores continuos de tanque agitado.

c) En los casos de comportamientos diuxicos, donde el sustrato

preferencial es consumido primero, este tipo de configuracin puede

implementarse de tal forma que en el primer tanque se consuma totalmente el sustrato preferencial y en el segundo el otro sustrato,

minimizndose as el volumen de los reactores.

En la figura 4 se puede observar la configuracin de un sistema de dos

reactores CSTR acoplados en serie.

Dos reactores CSTR en Serie

Fuente: a partir de Blanch, H. Clark, D. Biochemical Engineering. Editorial Marcel Dekker. Primera edicin. New Cork. p 294

Reactores de Flujo a Pistn y Lecho Empacado

El extremo opuesto de los sistemas de mezcla perfecta lo constituyen los

reactores de flujo a pistn, donde el fluido se mueve a travs de una tubera o

F10, S10

F1, S1, X1

D1=F1/V1 F20, S20

D2=F1+F20/V2

F1+F20,

S2, X2

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canal en donde la mezcla es despreciable en la direccin del flujo (axial) en

tanto que existe una mezcla perfecta en la direccin radial. As, a lo largo del

reactor la circulacin de sustrato ir disminuyendo y con ello la velocidad de reaccin. Se mantiene a lo largo del reactor un gradiente continuo de

concentracin de sustrato y productos, por lo tanto esta configuracin en los

procesos fermentativos con inhibicin por producto.

Si la velocidad superficial (en la direccin axial, z) es us, un balance de masa y

sustrato queda expresado por:

x

s rdz

Xud y

s

s rdz

Sud (44)

Donde rx y rs son las velocidades de reaccin basadas en el volumen del lquido.

En los reactores de lecho empacado se implementa un sistema de retencin que permite aumentar la concentracin celular en el sistema, estos equipos

tienen limitacin cuando el sustrato posee partculas slidas en suspensin que

podran colmatar el lecho.

Otras tipologas de Reactor

a) Reactor Air- lift: consiste en un recipiente con dos zonas distintas. Se inyecta gas por una de las zonas, generando diferencia de densidad en las dos

zonas, una zona ascendente y una descendente. Ver figura 5.

Algunas Configuraciones de Reactor Air-lift

Fuente: Adaptado de Casablancas, F. et al. Ingeniera Bioqumica. Editorial Sntesis. Primera edicin. 1998. Madrid, Espaa. p 207

Entre las ventajas que ofrece este tipo de birreactores estn simplicidad en el

diseo, modelo de flujo definido, buena homogenizacin, pequeos esfuerzos

cortantes, y posibilidad de mantener una operacin prolongada sin

Aire

Zona ascensional

Deflector

Aire

Tubo de ascenso de gas

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contaminacin. Una limitante en la implementacin de este tipo de reactor es

la baja informacin sobre diseo y escalado.

b) Fermentadores de membrana: el uso de membranas en los

biorreactores puede tener diferentes propsitos, inmovilizacin celular,

retencin celular, suministro de oxgeno al medio de cultivo, separacin de

productos, entre otros. En la figura 6 se puede observar el esquema bsico de operacin de un reactor de membrana para la retencin celular.

Biorreactor de Membrana para Retencin Celular

Fuente: Adaptado de Casablancas, F. et al. Ingeniera Bioqumica. Editorial Sntesis. Primera edicin. 1998. Madrid, Espaa. p 209

c) Fermentadores con separacin de producto in situ: como

estrategia para incrementar la productividad en sistemas que presentan

inhibicin por producto, se implementan en los equipos en los que se elimina el producto al tiempo que se est produciendo. En esta categora se ubican los

equipos con desercin, stripping, los equipos de fermentacin extractiva y los

de pervaporacin con membranas. En los primeros, desarrollados en los procesos fermentativos para la obtencin de etanol, se acopla al biorreactor un

sistema de desorcin del producto por inyeccin del CO2 producido en la

fermentacin.

En la fermentacin extractiva, se emplean tcnicas de separacin de solutos de

una fase acuosa, tales como extraccin lquido-lquido, electrodilisis, sistemas

acuosos de dos fases. Resinas de intercambio inico.

Alimentacin

Producto

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Crecimiento Microbiano Lectura 2