Composición Composición química microbiana química microbiana y diseño de medios y diseño de medios

de cultivode cultivo

Composición química de la biomasa microbiana

•BACTERIAS, HONGOS, LEVADURAS

Carbono C 50%Oxígeno O 20 %Nitrógeno N 8 %Hidrogeno H 8 %Fósforo P 5 %Azufre S 3 %

Masa secaEl hidrógeno y el oxígeno se encuentran en el agua

Compuesto Bacteria (% base seca)

Levaduras (% base seca)

Hongos (% base seca)

Promedio Promedio Promedio Carbono 48 46-52 48 46-52 48 45-55 Nitrógeno 12.5 10-14 7.5 6-8.5 6 4-7 Proteínas 55 50-60 40 35-45 32 25-40 Carbohidratos 9 6-15 38 30-45 49 40-55 Lípidos 7 5-10 8 5-10 8 5-10 Acidos nucleicos 23 15-25 8 5-10 5 2-8 Cenizas 6 4-10 6 4-10 6 4-10

Composición típica de Composición típica de compuestos orgánicos e compuestos orgánicos e

inorgánicos de m.o. inorgánicos de m.o.

g/100 g en peso seco Elemento Bacteria Hongos Levaduras Fósforo 2-3 0.4-4.5 0.8-2.6 Azufre 0.2-1.0 0.1-0.5 0.01-0.24 Potasio 1-4.5 0.2-2.5 1-4 Magnesio 0.1-0.5 0.1-0.3 0.1-0.5 Sodio 0.5-1 0.02-0.5 0.01-0.1 Calcio 0.01-1.1 0.1-1.4 0.1-0.3 Fierro 0.02-0.2 0.1-0.2 0.01-0.5 Cobre 0.01-0.02 --------- 0.002-0.01 Manganeso 0.001-0.01 --------- 0.0005-0.007 Molibdeno -------- --------- 0.0001-0.0002 Total Cenizas 7-12 2-8 5-10

Composición típica de compuestos Composición típica de compuestos orgánicos e inorgánicos de m.o.orgánicos e inorgánicos de m.o.Constituyentes inorgánicos Constituyentes inorgánicos

Funciones en los microorganismos

Cultivo de microorganismos

Caja PetriCultivo superficial Biorreactor

Medio Líquido

Medio cultivo definidoMedio de cultivo complejo

CRECIMIENTO

Sustancias utilizadas por los microorganismospara crecer

•Catabolismo (ruptura de biomoléculas, ATP)•Anabolismo (síntesis de biomoléculas)

NutrientesNutrientes

Clasificación de Clasificación de NutrientesNutrientes

• Macroelementos ó macronutrientes

• Microelementos ó Micronutrientes u Ologoelementos ó Elementos traza

• Factores de crecimiento

Macronutrientes ó macroelementos

• Están en el medio de cultivo en gran cantidad >5 g/L

• Son C, O, H, N, S, P, Ca, Mg K

• Conforman el 95% en peso seco de una célula microbiana

Macronutrientes o Macronutrientes o macroelementosmacroelementos

• Carbono.– Principal fuente de energía para las células– Sustrato o nutriente limitante junto con el N

Fuentes: Glucosa, sacarosa, ácidos grasos, maltosa, lactosa, celulosa, xilano, aceites, almidón etc.

• Nitrógeno, azufre, fósforo.Fuentes de N: Nitratos, Cloruro de amonio,

urea peptonas y extracto de levaduraFuentes de S: Aminoácidos como cisteína y

metionina, SulfatosFuentes de P: Fosfatos

• Fuentes

– K+: Cloruros (KCl, KClO3 Clorato de potasio), KHCO3

– Ca2+: CaCl2, CaCO3

– Mg2+: Mg SO4

– Fe2+ y Fe3+: Fe SO4; Fe2 (SO4)3

Otros MacronutrientesOtros Macronutrientes

Micronutrientes u Micronutrientes u oligoelementosoligoelementos

Se requieren en µg ó <0.5g/L

Usualmente, son elemetos traza en el agua y componentes de medios de cultivo.

Mn, Zn, Co, Mo, Ni y Cu deben estar disponibles en cantidades de g.

• Zn2+: se localiza en el centro activo de algunas enzimas.

• Mn2+: facilita a muchas enzimas la catálisis de la transferencia de los grupos fosfato.

• Mo2+: necesario para fijar nitrógeno.

• Co2+: componente de la vitamina B12.• Cu2+: tiene funciones en algunas

enzimas de óxido-reducción.

Funciones de Funciones de Micronutrientes u Micronutrientes u

oligoelementosoligoelementos

Factores de crecimientoSustancias precursoras de constituyentes orgánicos que el m.o. no es capaz de

sintetizar

•Purinas and pirimidinas: síntesis de ácidos nucleicos» Cepas auxotrofas de uracilo,

•Aminoacidos: síntesis de aminoácidos y proteínas» Cepas auxotrofas de uracilo, metionina, lisina, etc

•Vitaminas: como coenzimas en reacciones enzimáticas

Célula

SustratoSustratos o s o

NutrientNutrientesesS1(g/L)

S2Sn

CélulasCélulasBiomasaBiomasa

X (g/L)

ProductosProductosP1 (g/L)P2Pn

Crecimiento y formación de producto

Crecimiento microbiano: Crecimiento microbiano: Descripción químicaDescripción química

CaHbOc + NH3 + O2

CaHbOc Nd+ CO2 +

H2O CFuente Carbonoenergía

Fuente Nitrógeno

Biomasa

Productos del metabolismo

Etanol, Láctico, enzimas etc

Datos de composición Datos de composición celularcelular

• BacteriasC0.53 ; N0.12 ; O0.19 ; H0.07

• LevadurasC0.47 ; N0.075 ; O0.31 ; H0.065

Medios de CultivoMedios de Cultivo

Medio sintético o definidoMedio sintético o definido

• Son medios en que se conocen todos los componentes.

• Los medios definidos se emplean ampliamente en investigación ya que con frecuencia se requiere conocer qué está metabolizando el m.o. en estudio.

Formulación de medios de Formulación de medios de cultivocultivo

• Consiste en calcular cuanta fuente de carbono, nitrógeno, fosfóro requiere un microorganismo para crecer

• El diseño de medios de cultivo es respecto al C, N, P, S, ya que estos macronutrientes controlan la velocidad de crecimiento.

• Biomasa (células)

• Productos

Rendimiento biomasa Rendimiento biomasa sustrato (Ysustrato (YX/SX/S))

YX/S Xs

Biomasa producida (Xf – X0)

Sustrato consumido (S0 – Sf)=

Rendimiento de biomasa producida por fuente de carbono consumida

M.o. aerobio = 0.5 gbiomasa /1g sustrato

M.o. anaerobio = 0.1 biomasa /1g sustrato

Sustrato (S0)

50% Biomasa + 50% producción de metabolitos y mantenimiento celular.

10% Biomasa + 90% producción de metabolitos y mantenimiento celular.

m.o. m.o. anaerobioanaerobio

m.o. m.o. aerobioaerobio

Rendimiento = Yx/s = 0.5 gBM/1gsustrato

Rendimiento = Yx/s = 0.1gBM/1gsustrato

Rendimiento biomasa sustrato Rendimiento biomasa sustrato (Y(YX/SX/S))YX/S X

sBiomasa producida (Xf – X0)

Sustrato consumido (S0 – Sf)

=YX/S Ps

Producto producido (Pf – P0)

Sustrato consumido (S0 – Sf)

Rendimiento producto Rendimiento producto sustrato (Ysustrato (Yp/Sp/S))

Para diseñar medios de Para diseñar medios de cultivocultivo

• Cantidad de C = 50%• Cantidad de N = 8%• Cantidad de P = 5%• Cantidad de S = 3%

El hidrógeno y el oxígeno constituyen el agua

Es necesario conocer la composición celularEs necesario conocer la composición celular

Ejercicio 1Ejercicio 1Diseñar un medio de cultivo para un m.o. heterótrofo simple anaerobio.Fuente de C: glucosaFuente de N: cloruro de amonio, NH4Cl

Fuente de S: sulfato de magnesio, MgSO4

Fuente de P: fosfato ácido de potasio, KH2PO4

La célula bacteriana tiene 50% C, 8% N, 5% P y 3% S.

¿Qué cantidad de cada uno de los compuestos se tiene que añadir a 1 L de agua para producir 20 g/L de biomasa?

SoluciónSoluciónGlucosa20 g biomasa 0.5 g C 180 g Glucosa = 25 g/L L g biomasa 72 g C

NH4Cl20 g biomasa 0.08 g C 53.5 g NH4Cl = 6.1 g/L L g biomasa 14 g N

MgSO420 g biomasa 0.03 g C 120.3 g MgSO4 = 2.25

g/L L g biomasa 32 g S

KH2PO420 g biomasa 0.05 g C 136 g KH2PO4 = 4.42 g/L L g biomasa 30.9 g P

RendimientoRendimientoGlucosa20 g biomasa 0.5 g C 180 g Glucosa

= g biomasa 72 g C

25 g/L

Si el m.o. fuera aerobio, entonces se requieren 50 g Glucosa

Ejercicio 2Ejercicio 2Formular y diseñar un medio de cultivo para una bacteria mesofílica, heterótrofa simple y anaerobia estricta, basado en 100 g/L de fuente de carbono.¿Cuántos g/L de biomasa se producirán en 1 L de medio diseñado?Heterótrofa simple, anaerobia estricta.Fuente de C: glucosaFuente de N: cloruro de amonio, NH4Cl

Fuente de S: sulfato de magnesio, MgSO4

Fuente de P: fosfato de potasio, K2HPO4

mpo de Incubación

Cell / ml

01,3*108

12,4*108

21,2*109

31,4*1010

41,5*1010

51,7*1010

6 1,5*1010

Curva de crecimientoCurva de crecimiento

Crecimiento y formación de Crecimiento y formación de productoproducto

Producto asociado al crecimientoMETABOLITOS PRIMARIOS

Crecimiento y formación de Crecimiento y formación de productoproducto

Producto NO asociado al crecimientoMETABOLITOS SECUNDARIOS