Cinética microbiana(Bioreacciones)

Introducción

Fermentación microbiana

• El caso más simple:

A C + R

Donde:

A: substrato (alimento necesario)C: microorganismo (m.o.)

R: producto (material de desecho)

C

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

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

Fermentación con ambiente constante

ln ( Cc/Cco)

tTiempo lag

CA

Fermentación con ambiente constante

kobs = k CA

CA + CM

Máxima velocidad de crecimiento

CM

k / 2

CA

k

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

Bioreactor de lote

CC

tiempo

lag

Crecimiento exponencial

Estacionaria

muerte

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

Forma usual de la curva lag

Tiempolag

Edad de las célulasintroducidas en el medio fresco

Otra forma de la curva lag

Tiempolag

Edad de las célulasintroducidas en el medio fresco

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

Substrato que limita

ln ( Cc/Cco)

t

CAo

Producto de la reacción que limita

ln ( Cc/Cco)

t

CAo

Máximo crecimiento celular en función de la concentración inicial de substrato

CAo

CC,max.

Productos tóxicos limitantes

Substrat

o lim

itante

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

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

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

Disponibilidad de alimentos

• A alta CA

rR = kCC

• A baja CA

rR = kCCCA / CM

• A cualquier CA (Ecuación de Monod)

rR = kCCCA

CA + CM

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

Efecto de desechos dañinos

0 CR*CR

kobs

k

n = 2

n = 1/2

n = 1

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