cinéticas de crecimiento
TRANSCRIPT
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
El efecto de la temperatura sobre la constante de
velocidad de reaccioacuten
k = A e(-EA
RT)
Donde k es la constante de velocidad de reaccioacuten Ea
la energiacutea de activacioacuten y A el factor pre-
exponencial
Ea Kd Ed
La velocidad de desactivacioacuten
rd = kdEa
En un reactor discontinuo de tanque agitado
Dado que la velocidad es funcioacuten directa de la concentracioacuten de enzima se tiene
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
E E- E2--H+
+H+
-H+
+H+
Cineacutetica Microbiana
Organismos procarioacuteticos unicelulares (bacterias)
Aumento de tamantildeo ====rsaquoDivisioacuten
Ceacutelula no viable incapacidad de aumentar de tamantildeo
y multiplicarse
Crecimiento aumento ordenado de todos los
constituyentes quiacutemicos de un organismo
organismos unicelulares aumento de individuos en la
poblacioacuten
Medicioacuten del Crecimiento
Peso Seco Secar hasta peso constante a 105 C
durante un tiempo prudencial Puede incluir
centrifugacioacuten para celular que sedimentan
faacutecilmente Filtracioacuten con membranas Desventajas
meacutetodo lento con muestras relativamente grandes
Adsorcioacuten celda espectrofotomeacutetricas adsorcioacuten de
luz proporcional a la concentracioacuten 600 nm Se
puede relacionar adsorcioacuten versus peso seco y
graficar Medios soacutelidos causan interferencia
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Peso huacutemedo centrifugacioacuten o filtrado de las
muestras del cultivo seguida del pesado directo
Error considerable puesto que se mide agua
intracelular y extracelular
Volumen de Ceacutelulas Empacadas centrifugacioacuten de
muestras de cultivo en tubos de centrifugas
graduados determinando volumen de ceacutelulas
empacadas Inexacto cuando existen pequentildeos
cambios en la poblacioacuten celular
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Nuacutemero de Ceacutelulas muestras de cultivo diluidas
sobre porta objetos de microscopios graduados como
Helber oacute Hematocitoacutemetros No distingue entre
ceacutelulas viables y no viables Requiere de buena
teacutecnica de esterilizacioacuten equipo costoso
Mediciones fiacutesicas generacioacuten de calor funcioacuten del
crecimiento celular Adecuado para reactores a gran
escala En cultivos aeroacutebicos se puede medir la
captacioacuten de O2 No es adecuado para cultivos
anaeroacutebicos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
En un reactor discontinuo de tanque agitado
Dado que la velocidad es funcioacuten directa de la concentracioacuten de enzima se tiene
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
E E- E2--H+
+H+
-H+
+H+
Cineacutetica Microbiana
Organismos procarioacuteticos unicelulares (bacterias)
Aumento de tamantildeo ====rsaquoDivisioacuten
Ceacutelula no viable incapacidad de aumentar de tamantildeo
y multiplicarse
Crecimiento aumento ordenado de todos los
constituyentes quiacutemicos de un organismo
organismos unicelulares aumento de individuos en la
poblacioacuten
Medicioacuten del Crecimiento
Peso Seco Secar hasta peso constante a 105 C
durante un tiempo prudencial Puede incluir
centrifugacioacuten para celular que sedimentan
faacutecilmente Filtracioacuten con membranas Desventajas
meacutetodo lento con muestras relativamente grandes
Adsorcioacuten celda espectrofotomeacutetricas adsorcioacuten de
luz proporcional a la concentracioacuten 600 nm Se
puede relacionar adsorcioacuten versus peso seco y
graficar Medios soacutelidos causan interferencia
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Peso huacutemedo centrifugacioacuten o filtrado de las
muestras del cultivo seguida del pesado directo
Error considerable puesto que se mide agua
intracelular y extracelular
Volumen de Ceacutelulas Empacadas centrifugacioacuten de
muestras de cultivo en tubos de centrifugas
graduados determinando volumen de ceacutelulas
empacadas Inexacto cuando existen pequentildeos
cambios en la poblacioacuten celular
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Nuacutemero de Ceacutelulas muestras de cultivo diluidas
sobre porta objetos de microscopios graduados como
Helber oacute Hematocitoacutemetros No distingue entre
ceacutelulas viables y no viables Requiere de buena
teacutecnica de esterilizacioacuten equipo costoso
Mediciones fiacutesicas generacioacuten de calor funcioacuten del
crecimiento celular Adecuado para reactores a gran
escala En cultivos aeroacutebicos se puede medir la
captacioacuten de O2 No es adecuado para cultivos
anaeroacutebicos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
E E- E2--H+
+H+
-H+
+H+
Cineacutetica Microbiana
Organismos procarioacuteticos unicelulares (bacterias)
Aumento de tamantildeo ====rsaquoDivisioacuten
Ceacutelula no viable incapacidad de aumentar de tamantildeo
y multiplicarse
Crecimiento aumento ordenado de todos los
constituyentes quiacutemicos de un organismo
organismos unicelulares aumento de individuos en la
poblacioacuten
Medicioacuten del Crecimiento
Peso Seco Secar hasta peso constante a 105 C
durante un tiempo prudencial Puede incluir
centrifugacioacuten para celular que sedimentan
faacutecilmente Filtracioacuten con membranas Desventajas
meacutetodo lento con muestras relativamente grandes
Adsorcioacuten celda espectrofotomeacutetricas adsorcioacuten de
luz proporcional a la concentracioacuten 600 nm Se
puede relacionar adsorcioacuten versus peso seco y
graficar Medios soacutelidos causan interferencia
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Peso huacutemedo centrifugacioacuten o filtrado de las
muestras del cultivo seguida del pesado directo
Error considerable puesto que se mide agua
intracelular y extracelular
Volumen de Ceacutelulas Empacadas centrifugacioacuten de
muestras de cultivo en tubos de centrifugas
graduados determinando volumen de ceacutelulas
empacadas Inexacto cuando existen pequentildeos
cambios en la poblacioacuten celular
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Nuacutemero de Ceacutelulas muestras de cultivo diluidas
sobre porta objetos de microscopios graduados como
Helber oacute Hematocitoacutemetros No distingue entre
ceacutelulas viables y no viables Requiere de buena
teacutecnica de esterilizacioacuten equipo costoso
Mediciones fiacutesicas generacioacuten de calor funcioacuten del
crecimiento celular Adecuado para reactores a gran
escala En cultivos aeroacutebicos se puede medir la
captacioacuten de O2 No es adecuado para cultivos
anaeroacutebicos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Variacioacuten de la actividad enzimaacutetica con la
Temperatura y el pH
E E- E2--H+
+H+
-H+
+H+
Cineacutetica Microbiana
Organismos procarioacuteticos unicelulares (bacterias)
Aumento de tamantildeo ====rsaquoDivisioacuten
Ceacutelula no viable incapacidad de aumentar de tamantildeo
y multiplicarse
Crecimiento aumento ordenado de todos los
constituyentes quiacutemicos de un organismo
organismos unicelulares aumento de individuos en la
poblacioacuten
Medicioacuten del Crecimiento
Peso Seco Secar hasta peso constante a 105 C
durante un tiempo prudencial Puede incluir
centrifugacioacuten para celular que sedimentan
faacutecilmente Filtracioacuten con membranas Desventajas
meacutetodo lento con muestras relativamente grandes
Adsorcioacuten celda espectrofotomeacutetricas adsorcioacuten de
luz proporcional a la concentracioacuten 600 nm Se
puede relacionar adsorcioacuten versus peso seco y
graficar Medios soacutelidos causan interferencia
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Peso huacutemedo centrifugacioacuten o filtrado de las
muestras del cultivo seguida del pesado directo
Error considerable puesto que se mide agua
intracelular y extracelular
Volumen de Ceacutelulas Empacadas centrifugacioacuten de
muestras de cultivo en tubos de centrifugas
graduados determinando volumen de ceacutelulas
empacadas Inexacto cuando existen pequentildeos
cambios en la poblacioacuten celular
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Nuacutemero de Ceacutelulas muestras de cultivo diluidas
sobre porta objetos de microscopios graduados como
Helber oacute Hematocitoacutemetros No distingue entre
ceacutelulas viables y no viables Requiere de buena
teacutecnica de esterilizacioacuten equipo costoso
Mediciones fiacutesicas generacioacuten de calor funcioacuten del
crecimiento celular Adecuado para reactores a gran
escala En cultivos aeroacutebicos se puede medir la
captacioacuten de O2 No es adecuado para cultivos
anaeroacutebicos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
Organismos procarioacuteticos unicelulares (bacterias)
Aumento de tamantildeo ====rsaquoDivisioacuten
Ceacutelula no viable incapacidad de aumentar de tamantildeo
y multiplicarse
Crecimiento aumento ordenado de todos los
constituyentes quiacutemicos de un organismo
organismos unicelulares aumento de individuos en la
poblacioacuten
Medicioacuten del Crecimiento
Peso Seco Secar hasta peso constante a 105 C
durante un tiempo prudencial Puede incluir
centrifugacioacuten para celular que sedimentan
faacutecilmente Filtracioacuten con membranas Desventajas
meacutetodo lento con muestras relativamente grandes
Adsorcioacuten celda espectrofotomeacutetricas adsorcioacuten de
luz proporcional a la concentracioacuten 600 nm Se
puede relacionar adsorcioacuten versus peso seco y
graficar Medios soacutelidos causan interferencia
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Peso huacutemedo centrifugacioacuten o filtrado de las
muestras del cultivo seguida del pesado directo
Error considerable puesto que se mide agua
intracelular y extracelular
Volumen de Ceacutelulas Empacadas centrifugacioacuten de
muestras de cultivo en tubos de centrifugas
graduados determinando volumen de ceacutelulas
empacadas Inexacto cuando existen pequentildeos
cambios en la poblacioacuten celular
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Nuacutemero de Ceacutelulas muestras de cultivo diluidas
sobre porta objetos de microscopios graduados como
Helber oacute Hematocitoacutemetros No distingue entre
ceacutelulas viables y no viables Requiere de buena
teacutecnica de esterilizacioacuten equipo costoso
Mediciones fiacutesicas generacioacuten de calor funcioacuten del
crecimiento celular Adecuado para reactores a gran
escala En cultivos aeroacutebicos se puede medir la
captacioacuten de O2 No es adecuado para cultivos
anaeroacutebicos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Medicioacuten del Crecimiento
Peso Seco Secar hasta peso constante a 105 C
durante un tiempo prudencial Puede incluir
centrifugacioacuten para celular que sedimentan
faacutecilmente Filtracioacuten con membranas Desventajas
meacutetodo lento con muestras relativamente grandes
Adsorcioacuten celda espectrofotomeacutetricas adsorcioacuten de
luz proporcional a la concentracioacuten 600 nm Se
puede relacionar adsorcioacuten versus peso seco y
graficar Medios soacutelidos causan interferencia
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Peso huacutemedo centrifugacioacuten o filtrado de las
muestras del cultivo seguida del pesado directo
Error considerable puesto que se mide agua
intracelular y extracelular
Volumen de Ceacutelulas Empacadas centrifugacioacuten de
muestras de cultivo en tubos de centrifugas
graduados determinando volumen de ceacutelulas
empacadas Inexacto cuando existen pequentildeos
cambios en la poblacioacuten celular
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Nuacutemero de Ceacutelulas muestras de cultivo diluidas
sobre porta objetos de microscopios graduados como
Helber oacute Hematocitoacutemetros No distingue entre
ceacutelulas viables y no viables Requiere de buena
teacutecnica de esterilizacioacuten equipo costoso
Mediciones fiacutesicas generacioacuten de calor funcioacuten del
crecimiento celular Adecuado para reactores a gran
escala En cultivos aeroacutebicos se puede medir la
captacioacuten de O2 No es adecuado para cultivos
anaeroacutebicos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Medicioacuten del Crecimiento
Peso huacutemedo centrifugacioacuten o filtrado de las
muestras del cultivo seguida del pesado directo
Error considerable puesto que se mide agua
intracelular y extracelular
Volumen de Ceacutelulas Empacadas centrifugacioacuten de
muestras de cultivo en tubos de centrifugas
graduados determinando volumen de ceacutelulas
empacadas Inexacto cuando existen pequentildeos
cambios en la poblacioacuten celular
Cineacutetica Microbiana
Medicioacuten del Crecimiento
Nuacutemero de Ceacutelulas muestras de cultivo diluidas
sobre porta objetos de microscopios graduados como
Helber oacute Hematocitoacutemetros No distingue entre
ceacutelulas viables y no viables Requiere de buena
teacutecnica de esterilizacioacuten equipo costoso
Mediciones fiacutesicas generacioacuten de calor funcioacuten del
crecimiento celular Adecuado para reactores a gran
escala En cultivos aeroacutebicos se puede medir la
captacioacuten de O2 No es adecuado para cultivos
anaeroacutebicos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Medicioacuten del Crecimiento
Nuacutemero de Ceacutelulas muestras de cultivo diluidas
sobre porta objetos de microscopios graduados como
Helber oacute Hematocitoacutemetros No distingue entre
ceacutelulas viables y no viables Requiere de buena
teacutecnica de esterilizacioacuten equipo costoso
Mediciones fiacutesicas generacioacuten de calor funcioacuten del
crecimiento celular Adecuado para reactores a gran
escala En cultivos aeroacutebicos se puede medir la
captacioacuten de O2 No es adecuado para cultivos
anaeroacutebicos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Estequiometriacutea del crecimiento
Las cantidades de los nutrientes pueden determinarse
por estequiometriacutea
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
Para calcular los coeficientes estequiomeacutetricos es
necesario conocer el anaacutelisis elemental del
microorganismos En bibliografiacutea se pueden encontrar
anaacutelisis elemental de un gran numero de
microorganismos
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Estequiometriacutea del crecimiento
Cineacutetica Microbiana
MicroorganismoNutriente
LimitanteFormula Empiacuterica
Aerobacter aerogenes CH178N024O033
Klebsiella aerogenes Glicerol CH174N022O043
Candida utilis Glucosa CH184N02O056
Candida utilis Etanol CH184N02O055
Saccharomyces cerevisiae Glucosa CH170N017O046
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Estequiometriacutea del crecimiento
C6H12O6+aO2+bNH3 cCHxOyNz+dCO2+eH2O
En Carbono (C) 6=c+d
En Hidrogeno (H) 12+3b=1703c+2c
En Oxigeno (O) 6+2a=0459c+2d+e
En Nitroacutegeno (N) b=0171c
Cuatro ecuaciones cinco incoacutegnitas Dato extra cociente
respiratorio (RQ) moles CO2 formadomol de oxigeno
consumido Se puede entonces resolver el sistema
RQ=1033=da
C6H12O6+3942O2+0330NH3 1928CHxOyNz
+4072CO2+4854H2O
Cineacutetica Microbiana
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Estequiometriacutea de formacioacuten de producto
Si el producto principal se genera del metabolismo
primario puede escribirse una reaccioacuten quiacutemica similar al
caso anterior
aCHmOn+bO2+cNH3 dCHxOyNz+eCO2+fH2O+gCHvOw
No siempre se puede relacionar la formacioacuten de producto
con el consumo de substrato crecimiento celular es por ello
que en estos casos la aplicacioacuten de estequiometria simple no
es posible
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Rendimientos
Se puede tener una relacioacuten directa entre substrato consumido
y biomasa obtenida definido como rendimiento biomasa-
substrato
El rendimiento global depende de la fuente de carbono y de las
condiciones de operacioacuten ya que dentro de estos valores se
engloban utilizaciones del substrato que no esta directamente
relacionado a la produccioacuten de biomasa
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Rendimientos
el primer termino corresponde al crecimiento propiamente
dicho el segundo al substrato consumido como fuente de
energiacutea y el tercero a lo que respecta a mantenimiento del
cultivo
Pueden definirse otros tipos de rendimientos los cuales pueden
relacionarse con las velocidades de aparicioacuten y desaparicioacuten de
las diferentes especies de manera una vez caracterizado el
comportamiento de una de ellas se puedan obtener las demas
Cineacutetica Microbiana
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Rendimientos
rs representa velocidad de desaparicioacuten de substrato rx rp y rc
las de aparicioacuten de biomasa producto y CO2 respectivamente
Cineacutetica Microbiana
Siacutembolo Definicioacuten
YXS g de biomasa seca por g de substrato consumido
Tasa de crecimiento molar g de biomasa seca por mol de
substrato consumido
YXO g de biomasa seca por g de oxigeno consumido o por
mol de oxigeno consumido
YPS g o mol de producto por g o mol de substrato consumido
YCS mol de CO2 producido por mol de substrato consumido
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cada Ceacutelula individual es un sistema multicomponente con
distribucioacuten interna no homogeacutenea
Numero de reacciones individuales que tiene en la ceacutelula es
elevado
La ceacutelula tiene capacidad de adaptarse a cambios en la
composicioacuten del medio
Ocurren mutaciones (modificaciones geneacuteticas de la ceacutelula)
Ceacutelulas en crecimiento (distintas edades)
Variacioacuten de la actividad metaboacutelica
En el medio las condiciones pueden ser variables
Modelo cineacutetico que contemple todos los factores
Complejo
Cineacutetica Microbiana
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Las aproximacioacuten mas comuacuten es asumir que todas las ceacutelulas de
la poblacioacuten son iguales y se comportan de la misma forma
(ceacutelulas promedio)
Datos cineacuteticos se obtienen de dos maneras en un reactor
continuo agitado o en un reactor discontinuo de tanque agitado
Cineacutetica Microbiana
X0
X2
X1
X2
Log X
Tiempo (hr)
t1 t2 t3t0 t4
I II III IV V VI
I Lag
II Aceleracioacuten
III Exponencial
IV Desaceleracioacuten
V Estacionaria
VI Declive
Fases del crecimiento
celular en discontinuo
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
FASE LAG
Es la expresioacuten de un periacuteodo de adaptacioacuten para iniciar el crecimiento Su presencia
y su extensioacuten depende de
Inoacuteculo
Estado fisioloacutegico
Fase de crecimiento
Tamantildeo
Tipo de microorganismos
Composicioacuten del medio en el que se inocula
Condiciones fisicoquiacutemicas del medio
Fase Lag aparente con inoacuteculos pequentildeos
Cineacutetica Microbiana
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
FASE LAG
Cineacutetica
(dXdt) = 0
X = Concentracioacuten de ceacutelulas
X = X0
t = Tiempo
X0 = Biomasa inicial
Incidencia Industrial
Costo del tiempo de fermentacioacuten
Tamantildeo del fermentador
Riesgo de contaminacioacuten
Cineacutetica Microbiana
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
Fase de Aceleracioacuten
Parte de las ceacutelulas comienzan a dividirse
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
El cultivo esta en estado autocataliacutetico
Es un periacuteodo relativamente corto
Se cumple que Xo 2Xo 4 Xo 8Xo nXo
N = N0 2n
Cineacutetica de crecimiento
Se caracteriza por ser una fase de crecimiento constante
(dXdt) = microX
X = Biomasa microbiana
micro = Constante especifica del crecimiento microbiano en hr-1
t = Tiempo en hrs (t = td = tiempo de duplicacioacuten)
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
Fase Exponencial
(dXdt) = microX expresioacuten general para el crecimiento microbiano
(dXX) = microdt integrando en el periodo exponencial para un cambio de
tiempo en el que la concentracioacuten celular se duplique se tiene entonces
que
micro = ln2td
Donde td representa el tiempo de duplicacioacuten
micro = 0693td
td queda entonces como
td = 0693micro
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
Constante especiacutefica de velocidad de crecimiento
(La constante especifica de la velocidad de crecimiento microbiano
(micro) se utiliza para caracterizar el comportamiento de una poblacioacuten
microbiana
Su valor depende de las condiciones ambientales en que se
encuentra el microorganismo
Existe una gran dependencia de la fuente de carbono y energiacutea
tanto en calidad como en cantidad
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
Fase de declinacioacuten o retardo
Representa el fin del periacuteodo exponencial
Esta dado por
Agotamiento de un sustrato
Acumulacioacuten de un inhibidor
Otras causas ajenas al crecimiento
Cineacutetica
(dxdt) = micro(Xm ndash X)
Xm = Concentracioacuten de biomasa maacutexima
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
Fase estacionaria
No existe crecimiento neto Puede ocurrir crecimiento pero
estar equilibrado por la rapidez de muerte
Fase de declinacioacuten
Durante la fase estacionaria la rapidez de desaparicioacuten
(muerte) puede volverse maacutes alta que la rapidez de
crecimiento en cuyo caso disminuye la densidad de ceacutelulas
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
El crecimiento de la ceacutelula es un fenoacutemeno muy complejo se
puede tener una descripcioacuten del mismo de manera sencilla La
ecuacioacuten comuacutenmente usada es la de Monod
Substrato (S) + ceacutelulas (X) maacutes ceacutelulas (X) + producto (P)
Otras ecuaciones
Moser Contois
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cineacutetica Microbiana
Otras ecuaciones en las cuales se toma en cuenta inhibiciones
por substrato o por producto
Andrews y Noack
Tipo Teissier
Dagley y Hinshelwood
Levenspiel
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cultivo Continuo
Clasificacioacuten de los Sistemas de Cultivo Continuo
Tres criterios son comuacutenmente usados
Recirculacioacuten de Ceacutelulas
Sistema Abierto ceacutelulas en el efluente no recirculacioacuten solo parcial
Sistema Cerrado sin ceacutelulas en el efluente 100 de ceacutelulas recirculadas al reactor umlquasi continuouml
Mezclado
Homogeacuteneo tanque agitado (ceacutelulas homogeacuteneamente dispersas en una mezcla de fase liquida ygaseosa)
Heterogeacuteneo reactor tubular Tanque de particioacuten (los organismos son retenidos por sedimentacioacuten)Peliacutecula adherida a alguna superficie
Numero de Etapas
Una sola etapa no se puede tener una serie de sistemas cerrados Se pueden combinar sistemas cerradoscon un reactor abierto (actuacutea como tanque de siembra)
Multietapas se pueden combinar sistemas abiertos para formar cadenas de 2 o mas reactores laalimentacioacuten de sustrato se hace total o parcialmente en el primer reactor
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cultivo Continuo Quimiostato
Un Quimiostato en un sistema
abierto homogeacuteneo y de una
sola etapa
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo continuo no hay cambios de [S] numero de ceacutelulas y concentracioacutenintracelular de metabolitos (estado estacionario)
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de ceacutelulas= ent ceacutelulas-sal ceacutelulas+estado-muerte
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
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Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cultivo Continuo Quimiostato
Acumulacioacuten de nutriente= ent nutriente-salida-consumo-mantenimiento-formacioacuten de producto
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
Ec3
Ec4
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cultivo Continuo
Rapidez Criacutetica de Dilucioacuten (Dc)
Cuando S= So se tiene entonces que Dc=μg
Sustituyendo en la expresioacuten de Monod
En general Dc es aproximadamente igual μm Dc es el valor
mas bajo de D al cual ocurre el agotamiento
SoKs
SomDc
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
SKs
Ks-1DcDm
Cultivo Continuo Quimiostato
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sistema en Serie
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
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Ec1
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Ec3
Ec4
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Ec7
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Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
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Bibliografiacutea
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
Dm
KsDSoX xsY
La productividad se define como
PX=DX
Sabiendo que
Sustituyendo
Derivando la expresioacuten anterior para hallar
el maacuteximo
Dm
KsDSoPX xsDY
Dm
KsDSoX xsY
21
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Cultivo Continuo Quimiostato en serie
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Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
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Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
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Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
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Acido ciacutetrico
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Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
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Bibliografiacutea
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec1
Ec2
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Ec4
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Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
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Bibliografiacutea
Cultivo Continuo Quimiostato en serie
Sist Serie
Ec5
Ec6
Ec7
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
Cultivo Continuo Usos
Algunos productos quiacutemicos obtenidos por fermentacioacuten continua
Acetona
Acido aceacutetico
Acido ciacutetrico
Acido glucoacutenico
Acido itacoacutenico
Acido laacutectico
Butano
Butanodiol
Celulasa
Cloramfenicol
Etanol
Estreptomicina
Glucosa isomerasa
Glicoacutegeno
Penicilina
Penicilinasa
Proteiacutena Unicelular
Vitaminas B12
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
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bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
1 La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener indefinidamente
2 Se puede examinar el efecto de cambios en los paraacutemetros fiacutesicos oquiacutemicos sobre el crecimiento y la formacioacuten del producto
3 La concentracioacuten de biomasa se puede mantener constante variando latasa de dilucioacuten
4 Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar loscambios en la composicioacuten y actividad metaboacutelica celular modificando elnutriente limitante del crecimiento
5 Permite la determinacioacuten exacta de las constantes cineacuteticas energiacutea demantenimiento y rendimientos del crecimiento reales
6 Los resultados del medio de cultivo con frecuencia son mas confiables yreproducibles
7 Mayores productividades menor perdida de tiempo por limpiezapreparacioacuten esterilizacioacuten del medio
Cultivo Continuo Ventajas
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
1 No siempre se puede lograr la produccioacuten de algunos productos norelacionados con el crecimiento
2 El crecimiento en las paredes y la agregacioacuten de ceacutelulas puede causardesgaste o evitar el crecimiento en reacutegimen permanente real
3 El crecimiento continuo por largos periodos de tiempo puede ocasionar laperdida de la cepa original debido a la adopcioacuten de una cepa que crecemas raacutepido
4 El crecimiento de organismos filamentosos es difiacutecil debido a laviscosidad y naturaleza heterogeacutenea del cultivo que evita el crecimientoen reacutegimen permanente
5 Crecimiento por periodos largos puede causar problemas decontaminacioacuten
6 Periodos largos de crecimiento se traducen en planta y equipos auxiliaresconfiables y de la mejor calidad para evitar interrupciones mecaacutenicas
Cultivo Continuo Desventajas
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
1En un biorreactor continuo de mezcla completa se realiza un procesode fermentacioacuten de un substrato con concentracioacuten 143 gl mediante unmicroorganismo que tiene una μm = 1 h-1 y una Ks = 11 10-3 g l-1Calcular
aLa velocidad de dilucioacuten que proporciona la maacutexima productividadcelular
bSi la concentracioacuten de producto para el valor de Dm es de 10 gl iquestCuaacuteles la productividad maacutexima
cSi la concentracioacuten de biomasa para la velocidad de dilucioacuten delapartado a es de 4 gl iquestCuaacutel es la velocidad de formacioacuten de biomasa
2 Calcular las concentraciones de substrato y biomasa en estadoestacionario en un fermentador continuo de tanque agitado de 25 lcuando la concentracioacuten de susbtrato limitante en la alimentacioacuten es de 2gl y el caudal 8 lh Los valores de Ks y μm son 105 mgl y 045 h-1respectivamente y el rendimiento YXS = 048
Cultivo Continuo Problemas
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea
bull Scragg A(2000) Biotecnologiacutea para Ingenieros (Sistemas Bioloacutegicos enProcesos Tecnoloacutegicos) Editorial Limusa Meacutexico
bull Casas et al(2005) Ingenieriacutea Bioquiacutemica Primera Edicioacuten EditorialGoacutedia y Lopez Espantildea
Bibliografiacutea