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1

autotrofas

CO2

heterotrofas Glucosa

fototrofas

quimiotrofas

Luz como fuente de energía

Dadores de electrones a los que oxidan p/obtener su energía

Las funciones específicas del metabolismo son 4 :

1. Obtención de energía química de las moléculas combustibles o de la luz solar absorbida

2. La conversión de los principios nutritivos exógenos en sillares de construcción o precursores de los macromoleculares de la célula.

3. El ensamblaje de estos materiales para formar proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros componentes celulares.

4. La formación y degradación de las biomoléculas necesarias para las funciones especializadas

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Energía solar

Fotosíntesis

Energía química (ATP, NADPH, Glucosa)

Concentración transporte biosíntesis

Energía disipada (calor, entropía)

Organismos heterotrofos

Aerobios O2 agente reductor

Anaerobios alguna otra molécula actúa como agente reductor

Facultativos Puede usar O2 cuando dispone de él.

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3

glucosa

Células Heterotrofas

H2O

CO2

Células fotosintéticas

O2

Energía solar

Ciclo del carbono y del Oxígeno

Aminoácidos

Animales superiores

Amoniaco, urea

Bacterias Nitrificantes

(Nitrosomonas)

nitrito

Bacterias Nitrificantes (Nitrobacter)

nitrato

Plantas superiores

Bacterias fijadoras de nitrógeno

Nitrógeno atmosférico

Ciclo del nitrógeno

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Que es catabolismo? Es la fase degradativa del metabolismo de las moléculas nutritivas relativamente grandes (glúcidos, lípidos y proteínas ). Éstas se degradan para producir moléculas más pequeñas tales como ácido láctico, ácido acético, CO2, urea o amoniaco. Esta va a acompañado de la generación de energía química en forma de ATP (tri fosfato de adenosina).

Que es el anabolismo?

Es la fase constructiva de o biosintética del metabolismo, tiene lugar

biosíntesis enzimática de componentes moleculares de las células, como el

caso de ácidos nucleicos, proteínas, polisacáridos y lípidos.

La biosintesis precisa del consumo de energía el cual ha sido generado

durante el catabolismo.

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Glucólisis Ruta de Embden-Meyerhof •  Prácticamente todas las células realizan glucólisis •  10 reacciones iguales en todas las células - diferente

velocidad •  dos fases:

–  Primera fase: conversión de la glucosa a dos G-3-P

–  Segunda fase: se producen dos piruvatos •  Productos: dos piruvatos, ATP y NADH •  Tres posibles destinos para el piruvato

Glucosa

2 piruvatos

Glucólisis 10 reacciones sucesivas

2 etanol + CO2 2 acetil-CoA

4CO2 + H2O

2 lactato

Aerobiosis Anaerobiosis Anaerobiosis

Fermentación alcohólica levaduras

Respiración: Animales, plantas y microorganismos aerobios

Fermentación láctica Contracción muscular vigorosa, eritrocitos, algunos microorganismos.

- CO2

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•  Piruvato tiene alta energía - dos posibles vías: – aeróbica: ciclo del ácido cítrico – anaeróbico: la LDH produce lactato

Destino de NADH y Piruvato ¿Aeróbico o anaeróbico?

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Balance energético de la glucólisis

Glucosa + 2 ATP + 2 NADH + 2Pi+ 4ADP + 2NADH+ 2 H+

2 lactato + 2ADP + NADH + 2H+ + 4ATP + 2NAD2 + 2H2O

Glucosa + 2Pi+ 2ADP → 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O

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Metabolismo de Hexosas

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Degradación del glucógeno

CAT

•  Piruvato (de hecho acetato)de la glucólisis de degrada a CO2

•  Se produce algo de ATP •  Se produce más NADH •  NADH se utiliza para sintetizar más ATP

en el transporte de electrones y fosforilación oxidativa

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Precursores biosintéticos

Energía (ATP,NADH)

Energía

Precursores biosintéticos

Producto (metabolitos, aminoacidos, penicilina,etc

Energía

Proteínas enzimas

Ácidos nucleicos (RNA, DNA)

polisacáridos

lípidos

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Crecimiento microbiano

Culturas antiguas: fermentación alcohólica y fermentación aerobica en la elaboración de pan.

A mediados del siglo 19 Pasteur realizó fermentación alcohólica con levaduras.

Control de fermentaciones de aeróbicas y anaeróbicas

La biotecnología avanzó con pasos agigantados durante la segunda guerra mundial.

Se desarrollo la producción de antibióticos, ácido láctico, acético y cítrico.

Desarrollo de bioreactores automatizados para el control de variables como pH, temperatura, oxigenación.

Uso de nuevas técnicas biotecnológicas en la optimización de procesos: ingeniería genética,

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Diferencias entre células eucariotas y procariotas

Eucariota

Procariota

Membrana citoplasmática

Pared celular

Plásmido (ADN extracromosómico)

Ribosomas Citoplasma

ADN cromosómico Pared celular (células vegetales)

Retículo endoplásmico

Ribosomas

Membrana ciplasmática

Aparato de Golgi

Mitocondria Membrana nucleolar ADN

Mesosoma

Citoplasma

Diferencias entre procariotas y eucariotas

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Microorganismos Bacterias Levaduras

Hongos Tejido celular

Diferencias significativas entre cada una de los organismos

Frec

uenc

ia d

e t d

Tiempo de duplicación td (min)

bacterias levaduras moho protozoarios

El control del crecimiento de Microorganismos es importante para:controlar contaminaciones evitando la competencia por el sustrato

Factores que regulan el crecimiento microbiano

•  Nutrientes

•  Condiciones físicas: Temperatura, pH, presión osmótica, radiación.

•  Tiempo de generación

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Factores que afectan la sobrevivencia y desarrollo microbiano

•  Intrínsecos – Nutrientes disponibles – pH – Eh (potencial de óxido-

reducción) – actividad de agua – Adaptación al sustrato – Estado fisiológico – Asociaciones microbianas

Factores que afectan la sobrevivencia y desarrollo microbiano

Extrínsecos •  Temperatura •  Composición de la

atmósfera •  Humedad relativa

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autotrofas

CO2

heterotrofas

Glucosa

fototrofas

quimiotrofas

Luz como fuente de energía

Dadores de electrones a los que oxidan p/obtener su energía

Elementos nutrientes

C,H,O,N,S,P Metales

Vitaminas

Hidratos de

Carbono principalmente

PERO

Es necesario que el medio de cultivo de los microorganismos contenga todos los elementos constitutivos de la masa celular en sus proporciones requeridas por su composición interna.

Mo Cu Zn

0.03 Co

0.2 Fe 0.5 Ca 0.1 Mn 0.5 Mg 3 P 1 S

14 N 50 C 20 O 8 H

% del peso seco elemento Composición de elementos

constituyentes de células microbianas

Factores intrínsecos del crecimiento microbiano

AW 0.995 - 0.92 mayoría de bacterias patógenas 0.99 - 0.90 mayoría de bacterias deterioradoras 0.95 - 0.91 cocos, lactobacilos, levaduras < 0.85 levaduras deterioradoras < 0.85 hongos, S aureus 0.80 - 0.75 mayoría de bacterias halófilas 0.75 - 0.65 hongos xerófilos 0.65 0.60 lavaduras osmófilas

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Factores extrínsecos Temperatura: alta •  resistencia a las temperaturas altas •  gram negativas > levaduras > hongos >

cocos gram positivos >enterococos •  esporas de hongos > esporas de

bacterias

Temperatura Optima •  La temperatura óptima de crecimiento

está en el tope del rango de crecimiento.

•  La muerte se desenlaza arriba de la temperatura máxima por inactivación de las enzimas.

•  A los 5°C se detiene el crecimiento de la mayoría de los microorganismos

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Factores extrínsecos •  Composición de la atmósfera •  nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono •  Efecto del CO2 sobre algunos mo’s

– ninguno: Streptococcus, lactobacilos, levaduras

– ninguno o débil: levaduras –  Inhibitorio: Salmonella, Pseudomonas,

Bacillus – Estimulante: C. Jejuni, Brucella,

Lactobacillus

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Requerimientos de Oxígeno

•  Aerobios Obligados– requiren O2

•  Anaerobios Facultativos – Pueden usar O2 ,pero pueden crecer sin el.

•  Anaerobios Obligados – Mueren en la presencia del O2

Microorganismos crecen se reproducen y segregan materiales biológicos útiles para el hombre (principio básico de la biotecnología).

Microorganismos Bacterias Levaduras

Hongos Tejido celular

+

Elementos nutrientes

C,H,O,N,S,P Metales

Vitaminas

+

Condiciones ambientales

pH,temperatura, O2 disuelto. Etc.

fermentación microorganismos + CO2 Productos

intra y extracelulares +

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FERMENTACIÓN Cultivo discontinuo (cultivo en batch)

Los microorganismos crecerán en un medio de cultivo el cual tiene los nutrientes

necesarios en una forma disponible y con los factores ambientales necesarios.

Los microorganismos están limitados a la concentración de los nutrientes. Los

Mos crece hasta que se agota el nutriente esencial y de igual manera se presenta

la acumulación de sustancias tóxicas.

La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta,

totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico.

Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de

fermentaciones.

CRECIMIENTO MICROBIANO.

En un medio de cultivo los microorganismos realizan dos funciones básicas:

1. Crecer 2. Reproducirse.

Sin embargo, el término “crecer” en general se refiere a las dos funciones

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CULTIVO POR LOTE:

Representa un sistema cerrado Se agrega en un inicio todos los nutrientes del medio Solo se agrega oxígeno y controladores de pH y espuma

Aire Estéril

Vasija del cultivo

Cultivo

Sistema de agitación

TIPOS DE BIORREACTORES

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¿Cuales son las diferencias?

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Donde: X es la concentración de células (mg cm3) T es el tiempo de incubación (h-1)

µ = es la velocidad especifica de crecimiento

Si integramos esta ecuación tenemos:

Donde: X0 es la concentración de células en el tiempo 0. Xt es la concentración de células en el tiempo

después de un tiempo de t (hrs).

Aplicando a la ecuación logaritmos naturales queda de la siguiente forma:

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El tiempo de duplicación de los microorganismos se describe por td y se hace median simple calculo algebraico. Si a un medio se inoculara a través de una solo célula se duplicaría de la forma siguiente:

1,2,4,8,16,32,64,128 ….etc

Entonces:

Entonces si t = td y Xt = 2X0 Tenemos:

Entonces:

RENDIMIENTO

Donde : X = concentración de células Y = factor de rendimiento para el sustrato limitante Sr = es la concentración original en el medio

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µ1

µ3 µ2

Concentración

µ ´s

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problema

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Concentración

µ ´s

A una sola concentración

µ1

Sustrato 1

Ks

µ2

Sustrato 2

Ks

½ µmax

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problema Tiempo  (h)   Biomasa  x  (gL)    Xilosa  (g/L)    

0   0.151   19.50  5   0.173   17.82  7   0.231   16.42  9   0.322   15.89  11   0.504   15.35  13   0.760   15.01  16   1.000   14.67  19   1.322   14.28  21   1.533   13.88  23   1.630   13.50  25   1.795   13.11  26   1.889   12.49  28   1.865   11.95  30   1.865   11.48  

Tiempo  (h)   biomasa  Glu  (g/L)   glucosa  (g/L)  

0   0.153   19.5  5   0.182   17.17  7   0.238   15.69  9   0.457   14.21  11   0.697   13.5  13   0.985   12.3  16   1.345   11.6  19   1.667   10.7  21   1.889   9.98  23   1.89   9.55  25   1.893   9.12  26   1.896   9.03  28   1.899   8.91  30   1.902   8.83  

Precio  glucosa   7  pesos  kilo  

volumen  de  reactor  5000  litros  

precio  xilosa   3.5  pesos  kilo  

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La concentración por sustrato esta representada por la ecuación de Monod:

µ

S Ks

µmax

De la ecuación de Monod se pueden considerar los recíprocos para obtener la expresión:

Una gráfica de 1/m contra 1/S produce una línea recta con pendiente Ks/mmax y abscisa al origen -1/Ks y ordenada al origen:

1/µ

1/S -1/Ks

1/µmax

Ks/µmax

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•  Transferencia de masa: Se produce en mezclas que contienen diferentes concentraciones locales.

•  Difusión molecular: Es el movimiento de las moléculas de los componentes de una mezcla, debido a la diferencia de concentraciones existentes en el sistema.

a CA1

CA2 Dirección de la

transferencia de masa

Concentración de A, CA

Distancia, y

Agitación y aireación

Fase límite

Fase Gas

Fase Acuosa

CA1

CA1i

CA2i

CA2

Película acuosa Película Gaseosa

Teoría de la película

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TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE LAS BURBUJAS DE GAS A LAS CÉLULAS

La velocidad de transferencia de masa es el tiempo que le tomará en llegarle a las células los requerimientos necesarios para que estas se desarrollen,

en caso muy particular O2

Agregado celular Célula individual

Lugar de reacción del oxígeno

Interfase líq-sol

Película líquida

Burbuja de gas

Interfase gas-líquido

Película líquida

Célula individual Lugar de

reacción del oxígeno

Película líquida

(V), (VI), (VIII)

(IV)

(III) (II) (I)

(IV) (V)

(VI)

(VII) (VIII)

Consumo de oxígeno de cultivos celulares

Donde: CAL Es la concentración de oxigeno disuelto (mmol/dm-3) CAL Es la concentración saturada de oxigeno disuelto (mmol/dm3) t Es tiempo KL Es el coeficiente de transferencia de masa (cm/h) a es el área interfacial gas/liquido por unidad de volumen (cm) dCL/dt es la velocidad de transferencia de masa o de oxigeno. (mmol/hdm3)

Velocidad de transferencia de masa

Q02

Q02 Tasa especifica de consumo de oxigeno ( mmol O2/g de células-h)

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•  Debido a la dificultad que existe para predecir el kLa en bioreactores mediante correlaciones, se determina experimentalmente.

•  Existen métodos principales para la determinación del kLa y son:

1.  Método de eliminación de gas 2.  Método del balance de oxígeno 3.  Método dinámico 4.  Método de oxidación del sulfito de sodio.

•  Los métodos tienen sus dificultades y exactitudes, sin embargo el más utilizado por su versatilidad es el método dinámico.

DETERMINACIÓN DEL kLa Método de eliminación de gas

Cuando C1=0 y t1=0

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Método de eliminación de gas

a  100  rpm  

Jempo  (min)  

DO(%)   Cg*-­‐CL   Ln(Cg*-­‐CL)  

1   18.1   81.2   4.40  2   30.7   69.2   4.24  3   45.3   54.7   4.00  4   57.2   42.8   3.76  5   68.4   31.6   3.45  6   74.7   25.3   3.23  7   79.2   20.8   3.03  8   80.5   19.5   2.97  9   84.6   15.4   2.73  10   88.7   11.3   2.42  11   91.6   8.4   2.13  12   94.7   5.3   1.67  13   95.8   4.2   1.44  14   96.3   3.7   1.31  15   96.3   3.7   1.31  

y = -0.2367x + 4.6993 R² = 0.98878

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

0 2 4 6 8 10 12 14 16

ln(C

g*-C

L)

Tiempo (min)

Pendiente = -Kla

Si la pendiente es = a -0.235 entonces tenemos: Kla= -(-0.235)*60= 14.1 /h

Método de eliminación de gas o método no fermentativo

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A  300  rpm  

/empo  (min)  

DO(%)   Cg*-­‐CL   Ln(Cg*-­‐CL)  

1   48.2   51.8   3.95  2   80.5   19.5   2.97  3   91.8   8.2   2.10  4   93.5   6.5   1.87  5   95.9   4.1   1.41  6   96   4   1.39  7   96.2   3.8   1.34  8   96.2   3.8   1.34  

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

0 2 4 6 8 10

ln(C

g*-C

L)

tiempo (min)

De cuanto es la Kla =20.7 h-1

Método de eliminación de gas o método no fermentativo

a    600  rpm  

/empo  (min)  

DO(%)   Cg*-­‐CL   Ln(Cg*-­‐CL)  

1   66.8   33.2   3.50  

2   96.4   9.6   2.26  

3   93.8   6.2   1.82  

4   95.1   4.9   1.59  

5   95.7   4.3   1.46  

6   95.7   4.3   1.46  

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

0 2 4 6 8

ln(C

g*-C

L)

tiempo (min)

De cuanto es la KLa

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Método del balance de oxígeno Método del balance de oxígeno

Na= consumo de oxigeno

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Método dinámico Este método considera un balance de masa del oxígeno en estado no

estacionario. Existen también una gran variedad de versiones de este método sin embargo se mencionará el más común.

Como se observa en la figura, en un determinado instante t0 el caldo es desoxigenado ya sea por la introducción de nitrógeno o deteniendo el flujo si el cultivo consume oxígeno

Método dinámico

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Método dinámico

Si graficamos C (CL) versus dC/dt se obtiene la figura que se presenta en donde la pendiente es -1/KLa Y la intersección con el eje C nos da Cg*

Cg*

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