curso fes 2012 -...
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Fermentación en Estado Sólido. Primera parte. Aspectos Fundamentales
Ernesto Favela Torres UAM-‐Iztapalapa
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ogía Obje<vo
Al finalizar esta primera parte del curso el alumno será capaz de: 1. Describir y dis<nguir los procesos de cul<vo de microorganismos
en estado líquido, superficial y sólido.
2. Iden<ficar las caracterís<cas que deben de ser consideradas para seleccionar un <po de proceso de cul<vo de microorganismos. 3. Definir y usar adecuadamente las variables que permiten describir cuan<ta<vamente los procesos de cul<vo de microorganismos y formación de productos. 4. Iden<ficar las variables de estudio relevantes para el desarrollo de un proceso de FES
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Modalidad de conducción del proceso de enseñanza-‐aprendizaje
Esta primera parte del curso tendrá una duración de 8h divididas en 4 sesiones de 2h. La uea será impar<da en forma presencial por el profesor. Los alumnos harán exposiciones orales breves (5min). Se procurará hacer, durante la sesión, una discusión sobre el contenido de las exposiciones. Los alumnos deberán realizar trabajo de inves<gación documental (libros y arRculos cienRficos) y a través de Internet. La calificación de esta parte de curso será cuan<ta<va (del 1 al 10). Para ello se considerará la puntual asistencia al curso (10%), entrega de tareas (20%), presentaciones orales (20%) y evaluación escrita (50%). La calificación obtenida será promediada con la de los otros profesores del curso. Cada alumno revisará la literatura relacionada con su tema de tesis. Se recomienda consultar las múl<ples revisiones publicadas sobre Fermentación en Estado Sólido.
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ogía Contenido
1. Aspectos generales Definición, caracterís<cas y alcances de la FES Ejemplos tradicionales y modernos de FES Microorganismos Sustratos Productos ¿Para qué o porqué hacer FES?
2. Crecimiento microbiano Curvas de crecimiento, consumo de sustrato y formación de producto. Modelo de crecimiento binario. Definición de rendimientos, parámetros ciné<cos, y eficiencias:
* Rendimiento de consumo de sustrato y formación de producto * Tasas de crecimiento, consumo de sustrato y formación de productos * Tasas específicas de crecimiento, consumo de sustrato y
formación de productos * Eficiencia de conversión de sustratos
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3. Factores nutricionales y ambientales Nutrientes Oxígeno Carbono Nitrógeno Ac<vidad de agua Micronutrientes pH Temperatura
……..contenido
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Ejercicio para realizar en clase.
En una hoja tamaño esquela conteste a las siguientes preguntas: 1. Defina el concepto de fermentación en estado sólido 2. Enuncie 5 características de los procesos de FES 3. Escriba tres palabras clave relacionadas con tu trabajo de tesis
Tarea Para la próxima clase presentar en forma oral (PPT): 1. Una disertación sobre la definición de FES 2. Vincule esta definición con su modelo de estudio 3. Justifique el uso de FES y no de FEL en su trabajo de tesis 4. Cite las variables de estudio y de respuesta más relevantes de su
trabajo experimental explicando la importancia de cada una de ellas
La presentación tendrá una duración máxima de 5 min. Cada alumno debe de mandar su presentación a [email protected] 30 min antes de la clase
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Pausa
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ogía 1. Aspectos generales
Definición, caracterís<cas y alcances de la FES Ejemplos tradicionales y modernos de FES Microorganismos Sustratos Productos ¿Para qué o porqué hacer FES?
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Fermentación en Estado Sólido
¿qué es fermentación? Es la conversión biológica anaeróbica de moléculas orgánicas (carbohidratos, alcoholes, hidrocarburos) en otras moléculas orgánicas (etanol, ácidos orgánicos (acé<co, lác<co, etc.). Es común usar el término fermentación para referirse a cualquier <po de procesos (aerobios/anaerobios) en los que par<cipan microorganismos.
¿qué es el estado sólido? Es uno de los 4 estados de agregación de la materia (líquido, gaseoso y plasmá<co) Los cuerpos sólidos man<enen constante su forma y volumen.
En el estado de plasma un número significa<vo, si no total, de los electrones de la materia son electrones libres, es decir, no ligados a una molécula o a un átomo
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Definición Fermentación en Estado Sólido
Son todas aquellas fermentaciones donde el sustrato no es líquido (Hessel<ne, 1972)
Las fermentaciones en las cuales el sustrato no está ni disuelto ni en suspensión en un gran volumen de agua (Raimbault, 1980)
Son todos los procesos que u<lizan materiales insolubles en agua para el crecimiento de microorganismos en ausencia de agua libre (Moo-‐Young y col. 1983).
“Es un método de cul<vo de microorganismos sobre y/o dentro de parRculas sólidas". El líquido ligado a las parRculas sólidas debe estar en una can<dad que asegure la ac<vidad del agua adecuada para el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos, pero sin exceder el máximo poder de retención de este líquido en la matriz sólida (Mudgeh 1986) y Durand. y col. 1988).
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Definición Fermentación en Estado Sólido
Es un proceso microbiológico que ocurre comúnmente en la superficie de materiales sólidos que <enen la propiedad de absorber y contener agua, con o sin nutrientes solubles (Viniegra-‐González, 1997)
El crecimiento de microorganismos en medios sólidos, o semi-‐sólidos, en ausencia de agua libre (Wikipedia).
Son todos los procesos que u<lizan materiales insolubles en agua para el crecimiento de microorganismos en ausencia de agua libre (Moo-‐Young y col. 1983).
Crecimiento de microorganismos sobre soportes sólidos húmedos en ausencia de agua libre (Botella y col. 2002)
Proceso en el cual se desarrollan los microorganismos en materiales sólidos húmedos (Julian y Sanchez 2007)
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Definición Fermentación en Estado Sólido
La fermentación en estado sólido involucra el crecimiento de microorganismos sobre parRculas sólidas húmedas en situaciones en las que los espacios entre las parRculas con<enen una fase gaseosa con<nua y un mínimo de agua visible. Aunque puede haber gotas de agua entre las parRculas y existan delgadas películas de agua sobre las parRcula, la fase acuosa entre parRculas es discon<nua y la mayoría del espacio interparRcula esta ocupado por la fase gaseosa. La mayoría del agua presente en el sistema esta absorbido dentro de las parRculas húmedas (Mitchell y col. 2006)
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Fermentación en Estado Sólido (Mitchel y col. 2006)
Fig. 1. Componentes de los sistemas de FES. a) Arreglo de parRculas húmedas con una fase gaseosa con<nua y presencia de hifas y gotas y biopelículas de agua; b) Arreglo de parRculas húmedas en presencia de una fase líquida con<nua por lo que no es considerado como FES. La figura de la izquierda corresponde a un biofiltro y la de la derecha a una pasta.
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¿qué es caracterís<co de la FES?
• ¿<po de microorganismos? • ¿Número de géneros microbianos? • ¿escala del proceso? • ¿naturaleza (origen) de los sustratos? • ¿diseño de bio-‐reactor? • ¿presencia de oxígeno? • ¿esfuerzos de corte? • ¿transferencia de oxígeno? • ¿transferencia de calor? • ¿control del proceso? • ¿modo de operación del proceso?
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Comparación entre FES y FEL
Ventajas • Requieren menos energía • Volumen de reactor
reducido • Productos concentrados que
facilitan la extracción • Produce pocos efluentes • Poco control del proceso • Rendimientos altos • Condiciones no estériles
Desventajas • Problemas de transferencia de
calor y masa • Pretratamiento del sustrato • Control ditcil del proceso • Requiere mucha mano de obra • Requiere inóculo muy alto • La separación de productos
puede ser más complicada • Pocos conocimientos técnicos
y bioquímicos
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Áreas de oportunidad de la FES
¿cuándo u<lizar FES en lugar de FEL? • Cuando las operaciones de “downstream” son pocas • Cuando el rendimiento y/o produc<vidad son más altos • Cuándo es más barato • Cuando las propiedades del producto obtenido por FES
son mejores que por FEL • Cuando se requiere aprovechar un residuo sólido
(aumentar el valor agregado de subproductos y/o contribución al medio ambiente)
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Usos tradicionales de la FES
Tempe, consiste en el crecimiento de Rhizopus oligosporus en semillas de soya. El producto fermentado obtenido se fríe y usa como sustituto de carne. Muy usado en Indonesia.
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Usos tradicionales de la FES
Koji, es una etapa durante la producción de salsa de soya. Consiste en el crecimiento de Aspergillus oryzae en semillas de soya. El producto fermentado es tratado con salmuera. Se incuba varios meses durante los cuales las enzimas producidas degradan lentamente la soya liberando una salsa oscura.
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Usos tradicionales de la FES
Ang-‐kak p arroz rojo, consiste en el crecimiento de Monascus purpureus en semillas de arroz. El hongo produce un pigmento rojo oscuro. Al final de la fermentación el arroz fermentado es secado y molido. El producto obtenido de usa como colorante en recetas de cocina.
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Usos modernos de la FES
• Enzimas (amilasas, proteasas, lipasas, tanasas, celulasas)
• Pigmentos • Aromas y saborizantes • Moléculas orgánicas pequeñas (etanol, cítrico, oxálico,
lác<co) • Ácido giberélico • Alimentos ricos en proteína, con mayor diges<bilidad o
detoxificados • An<bió<cos (penicilina) • Agentes de control biológico
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Bioconversiones por FES
• Decoloración de <ntas
• Bioblanqueo
• Biopulpeo
• Bioremediación
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ogía 2. Crecimiento microbiano
Curvas de crecimiento, consumo de sustrato y formación de producto. Modelo de crecimiento binario. Definición de rendimientos, parámetros ciné<cos, y eficiencias:
* Rendimiento de consumo de sustrato y formación de producto * Tasas de crecimiento, consumo de sustrato y formación de productos * Tasas específicas de crecimiento, consumo de sustrato y
formación de productos * Eficiencia de conversión de sustratos
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Curva de crecimiento, consumo de sustrato y formación de producto
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30
Compo
nente (g/L)
Tiempo( h)
Biomasa Lác<co Propiónico
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Cantidad: Número que resulta de una medida u operación Porción de una magnitud o cierto número de unidades
Concentración: Es una magnitud que permite medir y dar a conocer cuánta cantidad de sustancia o componente se puede encontrar en cada unidad de volumen o de masa.
Definiciones
Rendimiento: Es una magnitud que relaciona el cambio de dos cantidades de dos sustancias o componentes en un periodo de tiempo dado
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Velocidad: Es una magnitud de espacio recorrida en un cierto tiempo
Definiciones
Tasa: Es una magnitud que relaciona el cambio de la cantidad de una sustancia o componente en un periodo de tiempo dado
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ttXX
dtdX
−−
=……
µ= 1xdxdt
Crecimiento: Incremento en el número de células, en la masa celular o en ambos
Tasa de crecimiento: Incremento en el número de células o en la masa celular por unidad de tiempo
Tasa específica de crecimiento: Incremento en el número de células o en la masa celular por unidad de biomasa y por unidad de tiempo
Definiciones
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Modelo de crecimiento binario
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El crecimiento microbiano es autocatalítico La velocidad de crecimiento de la población es proporcional al
número de individuos o concentración celular
En la fase exponencial
X es el número o masa de individuos; td es el tiempo de duplicación
oot
ot
ot
o nxxxxx ddd ⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯ 842
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El número de veces que se duplica la biomasa en un cierto tiempo esta dado por:
dttn =
noxx 2=
dtt
oxx 2=
La concentración de biomasa después de un cierto tiempo puede evaluarse, en función de la biomasa inicial por las siguientes ecuaciones:
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Estimación de td dtt
oxx 2=
2Lntt
xxLn
do
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
693.0do tt
xxLn =⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
od
xLntt
xLn +⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
693.0
0
40
80
120
0 20 40 60
Tiempo (min)
LnX
0.693/td
d
o
ttxLnxLn 693.0=
−¿es td constante o depende del tiempo o de n?
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Estimación de µ
( )dttd
xLnd 693.0=
( ) ( )tdxd
dxxLnd
tdxLnd=
( )xdx
xLnd 1=
µ==dtxdt
dx 693.01
§ µ es la tasa específica de crecimiento
Puede considerarse como la tasa a la que se duplica una población microbiana en un tiempo determinado
Recuerda: en sistemas transitoros td no puede considerarse constante
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Estimación de µ
dtdx
x1
=µ
dt693.0
=µ
t
o
exx µ=
dtxdx µ=
txxLno
µ=
oLnxtLnx −= µ
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0.0
0.1
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0.3
0.4
0 8 15 23 30
Biom
asa (g/L)
Tiempo (h)
Curva de crecimiento
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Curva de crecimiento
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0.1
0.2
0.3
0.4
0 8 15 23 30
Biom
asa (g/L)
Tiempo (h)
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Producción de Propiónico
0
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2
3
4
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0 10 20 30
Compo
nente (g/L)
Tiempo( h)
Biomasa Lác<co Propiónico
¿cómo estimar manualmente (sin ayuda de un modelo matemático los rendimientos y parámetros cinéticos)
¿cómo caracterizar cuantitativamente el proceso?
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ogía Tasa de crecimiento (g/L o g/cm3):
Incremento en el número de células o en la masa celular por unidad de tiempo
Tasa específica de crecimiento (1/h): Incremento en el número de células o en la masa celular por unidad de biomasa y por unidad de tiempo
Definiciones (recordatorio)
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ttSS
dtdS
−−
=……
tdSd
xqs
1=
Tasa volumétrica de consumo de substrato : Tasa de consumo de substrato por unidad de volumen
Tasa específica de consumo de substrato: Tasa de consumo de substrato por unidad de biomasa
Definiciones
gS/L h
gS/gX h
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12
12
ttPP
dtdP
−−
=……
q p =1xdPdt
Tasa volumétrica de formación de producto: Tasa de formación de producto por unidad de volumen
Tasa específica de formación de producto: Tasa de formación de producto por unidad de biomasa
Definiciones
gP/L h
gP/gX h
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Rendimiento de formación de producto:
Definiciones
Cantidad (o concentración) de producto formado por unidad de sustrato consumido
Cantidad (o concentración) de producto formado por unidad de biomasa producida
Yp s =Pf − PoSo − Sf
Yp x =Pf − PoX f − Xo
Yp s =Pmax − PoSo − S
Yp x =Pmax − PoX − Xo
gP/gX
gP/gS
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Rendimiento de consumo de sustrato:
Definiciones
Cantidad (o concentración) de sustrato consumido por unidad de biomasa producida
Cantidad (o concentración) de sustrato consumido por cantidad (o concentración) de sustrato inicial por cien.
Conversión de sustrato:
Yx s =X f − Xo
So − SfYx s =
Xmax − Xo
So − S
C (%) =100Sf − SoSo
"
#$
%
&' C (%) =100 S − So
So
"
#$
%
&'
gX/gS
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Compo
nente (g/L)
Tiempo( h)
Biomasa Lác<co Propiónico
Estimación de parámteros sin ayuda de modelos matemáticos
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Durante el cul<vo de Megasphaera elsdenni en cul<vo líquido por lotes se obtuvieron los datos ciné<cos de producción de biomasa y ácido propiónico, así como de consumo de ácido lác<co. Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 1. 1. Ajuste por dos métodos (uno de ellos manual) 2. Es<me: a) Los parámetros Xo, Xmax, µ y µmax b) Los valores globales y máximos de Yx/s, Yp/s c) El valor de C(%)
Tiempo Biomasa Lác<co Propiónico (h) (g/L) (g/L) (g/L) 0.0 0.007 4.73 0.085 3.0 0.032 4.595 0.145 5.0 0.032 4.463 0.293 7.0 0.046 4.333 0.344 8.5 0.082 3.484 0.63 10.0 0.156 2.39 1.127 11.5 0.199 1.403 1.539 13.0 0.304 0.353 1.976 15.0 0.302 0.149 2.11 18.0 0.303 0.048 2.051 21.0 0.29 0.05 1.891 22.5 0.291 0.036 1.941 26.0 0.292 0.024 1.983
Tarea