Unidad 4. CinÃ©tica y estequimetrÃa de las cÃ©lulas. Parte2biotecnologiaindustrial.fcen.uba.ar/wp-content/uploads/2010/04... · ^d Yh/D dZ1 > Z /D/ EdK & } u µ o ] v o u ] }

CINÉTICA Y ESTEQUIMETRÍA CINÉTICA Y ESTEQUIMETRÍA DE LAS CÉLULASDE LAS CÉLULAS

CEBI_E9 Angélica MoralesCEBI_E9 Angélica Morales

ESTEQUIMETRÍA DEL CRECIMIENTOESTEQUIMETRÍA DEL CRECIMIENTOFormulación del medio y factores de rendimientoFormulación del medio y factores de rendimiento


Balance de electrones con formación Balance de electrones con formación de Producto…de Producto…

γs ; γβ son los grados de reducción del sustrato y la biomasa


γs ; γβ son los grados de reducción del sustrato y la biomasaw γS – 4 a = c γβ

w γS – 4 a = c γβ + f j γβ

Rendimiento máximo de biomasa…Rendimiento máximo de biomasa…

4(1) + 1,8-2(0,5)-3(0,2)


Comparación del rendimiento microbiano en Comparación del rendimiento microbiano en diferentes sustratosdiferentes sustratos


Influencia del sustrato en los rendimientos y Influencia del sustrato en los rendimientos y costos de operacióncostos de operación


ESTEQUIMETRÍA DE LA ENERGÍA METABÓLICA: ESTEQUIMETRÍA DE LA ENERGÍA METABÓLICA: Generación de CalorGeneración de Calor 40-50 % de la E. suministrada por fuentes de C se convierten en ATP. El resto se libera como calor. La evolución del calor acompaña al crecimiento microbiano.Balance de Energía a partir de las entalpías de combustión de sustrato y biomasa [kJ/g cel]


Generación de Calor por crecimiento Generación de Calor por crecimiento microbiano…microbiano…• ∆HC = 20-25 kJ/g cel bacterianas• YH = 0,42 g/kcal glucosa0.30 g/kcal malato0.21 g/kcal acetato0.18 g/kcal etanol0.12 g/kcal metanol0.061 g/kcal metano

Valores típicosPara células en crecimiento activo, el requerimiento para mantenimiento es requerimiento para mantenimiento es bajobajo

La evolución de calor está La evolución de calor está directamente relacionada con directamente relacionada con el crecimientoel crecimiento

Calor de combustión de la célula


0.061 g/kcal metano el crecimientoel crecimiento• La generación de calor está fuertemente afectada por el grado de oxidación del sustrato.• El calor generado/tiempo en una fermentación Batch:

•En fermentaciones aeróbicasaeróbicas se cumple que QGR ≈ 0,12QO2 pues el O2 es el receptor final de electrones:

Calor metabólico /gX = 1/YH

Ejemplo 3.Ejemplo 3.En una experiencia realizada en un reactor Batch (V=500 L) se cultivaron células dePseudomona fluorescens utilizando glucosa como sustrato según la siguientereacción biológica:

Con un cocientecociente respiratoriorespiratorio (RQ)(RQ) de 1,3.Se determinó que los calores de combustión de glucosa y de células fueron


Se determinó que los calores de combustión de glucosa y de células fueronrespectivamente 3,6 kcal/g glucosa y 5,8 kcal/g células mientras que la concentraciónde biomasa producida fue 5 g células/L a una velocidad específica de crecimiento de0,4 h-1.a) Halle los coeficientescoeficientes estequiométricosestequiométricos correspondientes a dicha ecuaciónb) Calcule el rendimientorendimiento celularcelular respectorespecto dede glucosaglucosa consumidaconsumidac) Halle el calorcalor generadogenerado (kcal/h) en el reactor BatchNota : Suponga que no hay formación de productos extracelulares ni gasto pormetabolismo endógeno

Resolución…Resolución…Datos…Datos…RQ = 1,3∆HGlucosa = 3,6 kcal/g glu∆HCélulas = 5,8 kcal/g célulasXproducida = 5g/L célulasmneta = 0,4h-1


a) Balances elementales:

Resolución…Resolución…

b)b) Rendimiento celular respecto a glucosa consumidaRendimiento celular respecto a glucosa consumida:

c) Calculo del calor metabólico por balance de energía a partir de las entalpías:


c) Calculo del calor metabólico por balance de energía a partir de las entalpías:

El calor generado/tiempo calor generado/tiempo en una fermentación Batch

Optimización del medio y las condiciones de Optimización del medio y las condiciones de cultivo…cultivo…Pueden ocurrir situaciones en las cuales sea imperativo la optimización de los medios Pueden ocurrir situaciones en las cuales sea imperativo la optimización de los medios de de cultivo:cultivo:

No existencia de información respecto a coeficientes de rendimiento demacro y micro elementos para el cultivo del microorganismo determinado. Existencia de limitaciones nutricionales ocultas, especialmente demicroelementos y factores de crecimiento.


microelementos y factores de crecimiento. Uso de medios de cultivo conteniendo elementos en exceso respecto delos requerimientos nutricionales del microorganismo en cuestión, quepueden causar inhibición del crecimiento. Ensayo de sustancias estimulantes, activadoras e inhibidoras delcrecimiento y formación del producto. Empleo de fuentes nutricionales no convencionales.

Optimización del medio y las condiciones de Optimización del medio y las condiciones de cultivo…cultivo…METODOLOGÍA• Realizar experimentos, en los cuales sese variavaria lala concentraciónconcentración deldel componentecomponente aaensayarensayar manteniéndose constante las concentraciones de los demás ingredientes:Para organismos aerobios generalmente se utiliza como sistemasistema dede cultivocultivo erlenmeyerserlenmeyersagitadosagitados. En este caso, se analiza el efecto de la variable escogida sobre la velocidad decrecimiento y la concentración de biomasa obtenida.


• Hace falta una gran cantidad de trabajo preliminar ya que el operador nono conoceconoce deantemano que nutriente es el limitante del crecimiento.•Cuando son varios los posibles nutrienteslimitantes el método resulta poco practico.• Puede ocurrir que la respuesta obtenida al variarla concentración de un componente dependa delos niveles de los otros, o sea, se produzcainteraccióninteracción entreentre componentescomponentes.

•Se puede mejorar mucho la optimización en BatchBatchempleando técnicastécnicas estadísticasestadísticas o utilizandosistemassistemas continuoscontinuos con pulsos de componentes.• Utilizando cultivoscultivos continuoscontinuos es posible obtenerunun cultivocultivo limitadolimitado porpor unun solosolo factorfactor oo sustratosustrato aalolo largolargo dede todotodo elel experimentoexperimento, pudiéndose

Optimización del medio y las condiciones de Optimización del medio y las condiciones de cultivo…cultivo…METODOLOGÍA


lolo largolargo dede todotodo elel experimentoexperimento, pudiéndoseconocer por lo tanto el efecto que su variaciónejerce sobre el cultivo al mantenerse los demáscomponentes constantes.• En la figura se muestra la optimización de unmedio lograda por el métodométodo dede loslos pulsospulsostrabajando con un cultivo continuo y en el cual segráfica la variación de la concentración de biomasaen función del tiempo después del pulso de uncomponente dado.

CULTIVOS MIXTOSCULTIVOS MIXTOS


INTERACCIONES MICROBIANASINTERACCIONES MICROBIANASEFECTO EN ESPECIE 1 EFECTO EN ESPECIE 2

Neutralismo 0 0Competencia - -Comensalismo + 0Amensalismo - 0


Amensalismo - 0Mutualismo + +Predación - +Parasitismo - +

NeutralismoNeutralismo Neutralismo es el tipo menos común de las interacciones ínterespecíficas. NingunaNinguna poblaciónpoblación afectaafecta aa lala otraotra. En el neutralismo no hay cambio en lavelocidad de crecimiento de ninguno de los dos microorganismos debido a lapresencia del otro. Cualquiera de las interacciones que se producen son indirectas o incidentales.


Se han estudiado muy pocos casos de neutralismo. Uno de ellos es el crecimientode starters de yogur de Streptococcus y Lactobacillus en un quimiostato . La cuentatotal de estas dos especies a una velocidad de dilución D = 0,4h-1 fueron muysimilares si las dos poblaciones se cultivaban juntas o separadas. El neutralismo parece ocurrir en casos donde cada microorganismo consumedistintos substratos limitantes y donde los productos finales son diluidos oneutralizados.

Interacciones benéficasInteracciones benéficasCOMENSALISMOCOMENSALISMO• Interacción en la cual una especie, B, afectaafectapositivamentepositivamente elel crecimientocrecimiento dede otraotra, A. Sinembargo B no es afectada por A.• Varios mecanismos resultan en este tipo deinteracción, entre los más comunes:– La poblaciónpoblación BB produce un nutrienteesencial o un factor de crecimientopara la poblaciónpoblación AA.


para la poblaciónpoblación AA.– La poblaciónpoblación BB elimina del medio uncompuesto tóxico para la poblaciónpoblación AA.EjemploEjemplo::Remoción de ácido láctico por el hongoGeotrichium candidum, que permite el crecimientodel Streptococcus lactis. Esta interacción se utilizaen la fabricación de quesos usando S. lactis. El ácidoláctico producido por S.lactis inhibe su crecimiento.El hongo metaboliza el láctico y mejora lascondiciones de crecimiento para la bacteria.

Interacciones benéficasInteracciones benéficasPROTOCOOPERACIÓNPROTOCOOPERACIÓN--MUTUALISMOMUTUALISMO

• Ambas especies crecen más rápido estando juntasque separadas• Para el mutualismo la interaccióninteracción eses esencialesencial parapara lalasupervivenciasupervivencia dede ambasambas especiesespecies.• No es mucho más común que el neutralismo eimplica varios mecanismos diferentes• IntercambioIntercambio dede factoresfactores dede crecimientocrecimiento::EjemploEjemplo:: El crecimiento de un Lactobacillus, que


EjemploEjemplo:: El crecimiento de un Lactobacillus, querequiere fenil alanina y de un Streptococo, querequiere acido fólico. Los cultivos puros casi no creceny la mezcla de ellos crece perfectamente• IntercambioIntercambio dede nutrientesnutrientes::– Se conocen muchos casos de asociacionesmutuamente beneficiosas entre bacterias aeróbicasy algas fotosintéticas. La bacteria usa O2 ycarbohidratos y producen CO2 y factores decrecimiento.– Las algas usan la luz del sol como fuente de energía,convierten el CO2 en carbohidratos y liberan tambiénO2. Este sistema ilustra algunos aspectos del ciclo delC y del O2 .

Interacciones benéficasInteracciones benéficasSIMBIOSISSIMBIOSIS

• Cuando hay una relación (mutualista, parasitista; comensalista; etc.) muy estrecha, de tal modo que las especies se necesitan mutuamente para la que las especies se necesitan mutuamente para la supervivenciasupervivencia. Los microorganismos se encuentran en muchas relaciones simbióticas entre si y además con los organismos superiores.EjemploEjemplo: Mathanobacillus omelianski, que es una bacteria que abunda en los barrosanaerobios. Se ha descubierto que es una mezcla de 2 especies. La primer especie


anaerobios. Se ha descubierto que es una mezcla de 2 especies. La primer especieconvierte el etanol en H2 y acetato. Pero, dicha especie es inhibida por el hidrogenoque produce. C2H6O + H2O → C2H3O2 + H+ + H2

La segunda especie de la bacteria no puede crecer en etanol, pero consume H2dando metano: 4H2 +CO2 → CH4 + 2 H2OUna especie destruye una toxina para su asociado, el cual a su vez, da un nutriente para el primero.

Interacciones antagónicasInteracciones antagónicasCOMPETENCIACOMPETENCIA• La competencia se produce cuando losorganismos de la misma comunidad buscan lamisma limitación de recursos. Este recursopuede ser presa, el agua, la luz, los nutrientes,los lugares de anidación, etc.• La competencia entre los miembrosmiembros dede lala

→ Nutricional por el Carbono, nitrógeno, fosforo, hierro, etc.→ Espacio→ O2→ Luz


• La competencia entre los miembrosmiembros dede lalamismamisma especieespecie es intraespecíficaintraespecífica.• La competencia entre individuos de especiesdiferentes es interespecíficainterespecífica..• Los individuos experimentan los dos tipos decompetencia, pero la importancia relativa deambos varían de población a población y deespecie a especie

Interacciones antagónicasInteracciones antagónicasAMENSALISMOAMENSALISMO

• Interacción en la cual una especie, B, afecta cual una especie, B, afecta negativamente el crecimiento de otra, A. Sin negativamente el crecimiento de otra, A. Sin embargo B no es afectada por Aembargo B no es afectada por A.• Mecanismos comunes en este tipo de interacción: – La población B elimina del medio un nutriente esencial o un factor de crecimiento para la población A.– La población B produce un compuesto tóxico para


– La población B produce un compuesto tóxico para la población A.EjemplosEjemplos Producción de antibióticos por algunos hongos, que inhiben el crecimiento de otros microorganismos. Algunos microorganismos excretan enzimas que destruyen la pared celular de otros; no sólo eliminan al organismo competidor sino que emplean los productos de lisis como nutrientes . La síntesis microbiana de ácidos orgánicos baja el pH e inhibe el crecimiento de otros organismos.

Interacciones antagónicasInteracciones antagónicasPREDACIÓN Y PARASITISMOPREDACIÓN Y PARASITISMO

Interacciones en las cuales una población se beneficia a expensas de otra. • Estas dos interacciones se distinguen entre si por el tamaño relativo de los organismos y por el mecanismo involucrado. -- PredaciónPredación:: En este caso ocurre la ingestión de la presa por el organismo predador. Esuna interacción muy común en tratamiento aeróbicos de aguas residuales.


una interacción muy común en tratamiento aeróbicos de aguas residuales.- ParasitismoParasitismo:: El huésped, que es generalmente el organismo más grande, es dañadopor el parásito. El parásito se beneficia de la ingestión de nutrientes del huésped.Si bien los mecanismos físicos de predación y parasitismo difieren, los dos fenómenostienen muchas características comunes en su descripción conceptual y matemática.

Interacciones antagónicasInteracciones antagónicasPREDACIÓN Y PARASITISMOPREDACIÓN Y PARASITISMO


Bdellovibrio bacteriovorus parasitando una célula de Pseudomona phaseolicola


MUCHAS GRACIAS!!!MUCHAS GRACIAS!!!

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