Laboratorio 2 Biorreactores

LABORATORIO 2: BIORREACTORESCdigo: BIOPINGALL01Vigencia: 30.04.2010Rev.: 01

Ramo: Laboratorio de Ingeniera de BioprocesosCarrera: Ingeniera de Alimentos Facultad TecnolgicaDepartamento de Ciencia y Tecnologa de losAlimentos Universidad de Santiago de ChileEditado por los profesores: ngela Contreras, Sergio Aguilera

1. INTRODUCCION

1.1 Biorreactores

Para un componente cualquiera del cultivo, incluida la biomasa, se puede plantear elsiguiente balance de materia en un biorreactor:

= + Donde:Va = velocidad de acumulacinVi = velocidad de ingresoVs = velocidad de salidaVf = velocidad de formacinVc = velocidad de consumo

( ) = + (Ec.1)Siendo

Donde:V = Volumen del cultivo

Ci , V

F2 , CiF1 , Ci1



F1 = Caudal de alimentacinF2 = Caudal de salidaCi1 = Concentracin del componente i en la alimentacinCi = Concentracin del componente i en la salida, la cual, si el cultivo es

homogneo, se puede asumir idntica a la que hay dentro del biorreactor.vrfi = Velocidad de formacin del componente ivcfi = Velocidad de consumo del componente i

Por otra parte, el volumen del cultivo variar en el tiempo segn sean F1 y F2.Suponiendo que la densidad del cultivo y de la alimentacin es igual resulta:

= 1 2 (Ec.2)Ahora bien, dependiendo de cmo sean F1 y F2 surgen tres sistemas de cultivo.

1.1.1 Cultivo continuo

Ambos caudales son iguales (F1=F2) y por la Ec.2, V es constante, por lo tanto la Ec.1se reduce a:

= ( ) + ( ) (Ec.3)



1.1.2 Cultivo Batch alimentado

El caudal de salida es nulo, por lo que el volumen del reactor aumentar en funcin delcaudal de entrada, por lo que la Ec.2 queda expresada como

= 1 (Ec.4)Por lo que el balance general (Ec.1) se reduce a

( ) = + ( ) (Ec.5)Como se observa en la Ec.4, el volumen del biorreactor aumenta, por lo que este tipode biorreactor tiene una duracin limitada ya que el volumen no puede incrementarsemas all del volumen til del reactor.

1.1.3 Cultivo Batch

Ambos caudales son nulos (F1=F2=0) por lo que de la Ec.2 se desprende que V esconstante. Al analizar la Ec.1 se obtiene

= (Ec.6)La duracin de un cultivo Batch es limitada en el tiempo y depende esencialmente delas condiciones iniciales del cultivo. Una vez inoculado el medio, la concentracin debiomasa aumenta a expensas de los nutrientes y cuando el sustrato que limita elcrecimiento se agota, finaliza el cultivo.



1.2 Cultivo Batch

Aplicando la Ec.6 a la biomasa (X), al producto (P) y al sustrato (S) se obtiene:

= = (Ec.7)= = / (Ec.8)

= (Ec.9)La relacin -S puede ser representada por la ecuacin de Monod

= (Ec.10)Y suponiendo que no se forma producto, se obtiene de las ecuaciones Ec.7 y Ec.8respectivamente

= (Ec.11)= / (Ec.12)

El sistema formado por las ecuaciones Ec.11 y Ec.12 posee solucin analtica, pero enesta no aparece X de forma explcita por lo que resulta de escasa utilidad. En cambioes posible analizar casos particulares haciendo algunas suposiciones. Por ejemplo sepuede asumir que durante una buena parte del tiempo se cumplir que S >> Ks, por lotanto las ecuaciones Ec.11 y Ec.12 se reducen a

= (Ec.13)= / (Ec.14)



Por lo tanto, bajo las condiciones indicadas, el crecimiento se llevar a cabo con elmximo valor de P posible. Integrando la ecuacin Ec.13 con la condicin t=0 y X=X0se obtiene

= ln + (Ec.15)o bien

= (Ec.16)La ecuacin Ec.16 establece que para S>>Ks el crecimiento es exponencial (faseexponencial) y por la ecuacin Ec.15 es posible calcular el valor de max graficando ellnX en funcin del tiempo. La variacin de S con respecto a t se obtiene introduciendola ecuacin Ec.16 en la ecuacin Ec.14 e integrando con la condicin t=0 y S=S0 seobtiene

= ( ) (Ec.17)A medida que el cultivo transcurre, S disminuye hasta que se llega a la condicin enque S es comparable a Ks y por lo tanto dX/dt comienza a disminuir (fase dedesaceleracin) hasta hacerse finalmente nula cuando S=0. En este punto se alcanzala mxima concentracin de biomasa y finaliza el Batch (fase estacionaria).

La concentracin final de biomasa (Xf) se puede calcular si se conoce el Yx/s

/ = ( )( ) (Ec.18)Puesto que Sf=0 resulta

= + ( ) (Ec.19)



Alternativamente se pueden emplear las ecuaciones Ec.18 y Ec.19 para calcular Yx/s.En la siguiente figura se representan las distintas fases de crecimiento de un cultivobatch aqu descritas que surgen de suponer vlida la ecuacin de Monod. Sinembargo, antes de la fase exponencial (II) suele existir otra fase llamada fase delatencia (I).

Figura 1. Curva de crecimiento y consumo de sustrato en un cultivo Batch. II faseexponenial, III fase de desaceleracin y IV fase estacionaria.

Si se considera la fase de latencia (I) debe aplicarse una correccin a la ecuacinEc.15, lo que escencialmente se traduce en restarle al tiempo real el tiempotranscurrido hasta que efectivamente comienza el crecimiento.

= ln + ( ) (Ec. 20)Donde tl da cuenta de la duracin de la fase de latencia.

Normalmente esta fase no es deseable ya que significa una prdida de tiempo, por loque usualmente se trata de minimizarla. Una forma de lograrlo consiste en hacercrecer el inculo en un medio de cultivo igual al que se va a emplear posteriormente yadems transferirlo cuando las clulas se encuentran en su fase exponencial.



El cultivo tipo Batch, si bien es quizs el ms difundido, es el que menos posibilidadesde control ofrece. Una vez sembrado el medio de cultivo y fijada la temperatura, eldesarrollo de este depender de la potencialidad del microorganismo siendo eloperador un mero espectador de los acontecimientos. Es este aspecto, el cultivocontinuo y el batch alimentado superan ampliamente al batch.

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo general

Estudiar las caractersticas de una fermentacin tipo Batch.

2.2 Objetivos especficos

Montar un biorreactor de tipo batch para fermentacin.Monitorear parmetros de una fermentacin alcohlica.Caracterizar el vino elaborado.



3. ACTIVIDADES

3.1 Montar un biorreactor de tipo batch.3.2 Caracterizar un mosto sinttico para una fermentacin alcohlica.3.3 Evaluar cada semana los parmetros de glucosa, absorbancia, densidad y pH delmosto fermentado.3.4 Realizar recuentos de levaduras para monitorear la fermentacin alcohlica.

4. MATERIALES

Cultivo de levaduras Saccharomyces cerevisiae Ec1118, mosto sinttico, micropipetas,tubos con agua peptonada 0,1%, espectrofotmetro, cubetas de espectrofotmetro,vasos precipitados, pizetas con agua destilada, etanol 70%, tubos eppendorf,pHmetro, picnmetro, placas petri con agar YPD, kit GOD-PAP para medir glucosa ypapel absorvente.

5. PROCEDIMIENTOS

5.1 Determinar la curva de crecimiento de un cultivo de levadura

1. Efectuar lecturas en espectrofotmetro a 600nm del cultivo tal y como se realiz enel primer prctico (curva de crecimiento).

2. Construir grficas de Abs v/s tiempo para las muestras. Si se realiz alguna dilucinno olvide corregir el valor.



5.2 Medicin de densidad utilizando un picnmetro

1. Registrar el volumen del picnmetro.

2. Masar el picnmetro vaco, cuidando que est limpio y seco.

3. Llenar completamente el picnmetro con la muestra, poner su tapa, secar el excesoy masar.

4. Repetir la medicin por duplicado.

5.3 Determinar glucosa residual por el mtodo GOD-PAP

1. Tomar 50L de muestra y mezclarlo en un tubo eppendorf con 1mL de reactivoGOD-PAP. Se debe tener en consideracin que la linealidad del kit es hastaconcentraciones de glucosa de 700mg/dL. Si considera que su muestra superareste valor, diluya las veces que considere pertinente. No olvide corregir su valor deabsorbancia por el factor de dilucin utilizado.

2. Tomar 50 mL de agua destilada y mezclarla en un tubo eppendorf con 1mL dereactivo GOD-PAP. Este tubo se utilizar como blanco de la reaccin.

3. Incubar la muestra y el blanco por 5 min. a 37C.

4. Medir los valores de absorbancia a 500nm de la muestra.

5. Con los valores construir la grfica Cglucosa v/s t.

5.4 Evaluar el pH del medio.

1 Encienda el pHmetro y enjuague el bulbo del electrodo con suficiente agua destilada.Seque con papel suave.



2. Calibre segn el protocolo del equipo.

3. Tome una muestra de 20mL de medio y mida el pH. Registre el valor cuando estesea constante.

4. Enjuague el electrodo y seque con papel suave.

5.5 Recuento de hongos y levaduras

1. Rotular las placas de YPD con el nombre de los integrantes, fecha del prctico ydilucin plaqueada.

2. Realizar las diluciones seriadas en base 10 segn lo indicado en el laboratorio.

3. Tomar 100L de cultivo y depositar en el centro de la placa.

4. Distribuir el inculo por toda la placa, rastrillando hasta que el inculo est seco.

5. Incubar por 5 das a 25C.

6. Realizar el recuento de levaduras.

6. SESIONES

6.1 Primera sesin

1. Montar el biorreactor segn se indicar en el laboratorio.

2.Adicionar 350mL de mosto a la botella mayor. Agregar 200mL de agua estril a labotella menor.

3. Inocular el mosto con la levadura.



4. Medir pH y densidad.

5. Dejar incubando a temperatura ambiente.

6.2 Segunda sesin

1. Monitorear los parmetros de pH, densidad, glucosa y realizar recuento delevaduras.2. Medir parmetros sensoriales.

6.3 Tercera sesin

1. Monitorear los parmetros de pH, densidad, glucosa y realizar recuento delevaduras.

2. Medir parmetros sensoriales.

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