5. Cinética microbiana
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Cinética microbiana(Bioreacciones)
Introducción
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Fermentación microbiana
• El caso más simple:
A C + R
Donde:
A: substrato (alimento necesario)C: microorganismo (m.o.)
R: producto (material de desecho)
C
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Ejemplos de fermentaciones microbianas
• Fabricación de vino:
Uvas, cereales más
frutas, papas, etc. m.o.
• Tratamiento de agua de desecho
Material de más
desecho orgánico m.o.
+ alcoholm .o.
+ productos de descomposición
m.o.
Envenenamiento por producto
Sin envenenamiento por producto
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Aplicaciones:
INTERES EJEMPLO
Descomposición de ATratamiento de aguas de desecho
Producción de células CCrecimiento de proteína celular para alimento
Material de desecho RProducción de penicilina y otros antibióticos
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Fermentación con ambiente constante
ln ( Cc/Cco)
tTiempo lag
CA
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Fermentación con ambiente constante
kobs = k CA
CA + CM
Máxima velocidad de crecimiento
CM
k / 2
CA
k
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Fermentación con ambiente constante
• La velocidad de crecimiento de las células, después del tiempo lag, está dada por la ecuación de Monod
rC = kCACC
CA + CM
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Bioreactor de lote
CC
tiempo
lag
Crecimiento exponencial
Estacionaria
muerte
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Fase lag
• Cuando las células se introducen en un nuevo ambiente, se observa un tiempo de readaptación, ya que las células deben primero elaborar los productos químicos necesarios para crecer y reproducirse
• Cualquier cambio en el ambiente, resulta en un periodo de inducción a medida que las células se ajustan
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Forma usual de la curva lag
Tiempolag
Edad de las célulasintroducidas en el medio fresco
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Otra forma de la curva lag
Tiempolag
Edad de las célulasintroducidas en el medio fresco
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Fases de crecimiento y estacionaria• Las células crecen exponencialmente en un
ambiente uniforme• En un sistema de lote, el medio cambia, por
lo que la velocidad de crecimiento también cambia
• La caida en el crecimiento celular se debe tanto a el agotamiento del alimento la acumulación de materiales tóxicos
para la célula
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Substrato que limita
ln ( Cc/Cco)
t
CAo
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Producto de la reacción que limita
ln ( Cc/Cco)
t
CAo
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Máximo crecimiento celular en función de la concentración inicial de substrato
CAo
CC,max.
Productos tóxicos limitantes
Substrat
o lim
itante
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Bioreactor de flujo mezclado
CAo
CCo = 0
CRo = 0
CA
Cc
CR
•Ambiente uniforme
•Células no necesitan adaptación
•Velocidad de multiplicación de las células constante
Ecuación de Monod:
rC = kCACC
CA + CM
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Expresiones cinéticas
• La velocidad de multiplicación de las células depende en general de:
La disponibilidad de alimentoLa producción de desechos que
interfieren con la multiplicación celular
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Disponibilidad de alimentos
• En forma análoga a la cinética enzimática, para el caso de microorganismos:
A + Cinactiva Cfértil
Cfértil 2Cfértil + R
Cc,total = Cc,fértil + Cc,inactiva
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Disponibilidad de alimentos
• A alta CA
rR = kCC
• A baja CA
rR = kCCCA / CM
• A cualquier CA (Ecuación de Monod)
rR = kCCCA
CA + CM
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Efecto de desechos dañinos
• A medida que se produce el desecho R, interfiere con la multiplicación celular
• La constante de velocidad de Monod, kobs disminuye con CR.
kobs = k 1 – CR
CR*
n
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Efecto de desechos dañinos
0 CR*CR
kobs
k
n = 2
n = 1/2
n = 1
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Expresión cinética general
• Expresión de Monod más simple considerando ambos factores:
-rA = rR = rC = kobs CCCA
CA + CM
Donde:
kobs = k 1 – CR
CR*
n