IV. Crecimiento Microbiano Dra. Dulce Mara Daz Montao

Temas a revisar

4.1 Estequiometria de crecimiento

4.2 Cintica de crecimiento

4.3 Consumo de sustrato

4.4 Mantenimiento celular

4.5 Requerimiento de oxgeno-Tolerancia a etanol del microorganismo

4.6 Efecto de pH y la temperatura sobre el crecimiento

Objetivo

Que el estudiante tenga el conocimiento sobre:

la estequiometria de crecimiento, la cintica de crecimiento, consumo de sustrato y mantenimiento del microorganismo.

Que el estudiante entienda la importancia del requerimiento de oxgeno-Tolerancia a etanol del microorganismo, as como el efecto de pH y la temperatura sobre el crecimiento.

Es importante conocer la cintica de crecimiento del microorganismo que utilizamos?

4.2 Cintica de crecimiento

Es importante conocer la cintica de crecimiento de los cultivos microbianos para predecir cmo va a evolucionar un cultivo, cmo va a ir consumindose el substrato y cmo se van a ir acumulando los productos del cultivo.

4.2 Cintica de crecimiento

Sin conocer estos factores es muy imprudente iniciar el cultivo en un fermentador de 10,000 litros, por ejemplo, con el coste que ello supone, puesto que no podemos predecir qu va a pasar, cundo va a completarse el crecimiento, cmo se va a acumular el producto, etc.

4.2 Cintica de crecimiento

Las clulas aisladas cultivadas en un volumen finito de medio de cultivo apropiado, van utilizando los nutrientes que tienen disponibles con la mayor eficiencia y rapidez que pueden, sintetizando sus propios componentes celulares y dividindose en cuanto han podido duplicar su masa gemacin), y su material gentico.

4.2 Cintica de crecimiento

El tiempo que tarda una clula en hacer todo lo anterior es lo que conocemos como tiempo de generacin () y puede variar desde unas horas, en condiciones ptimas hasta varios meses en condiciones del suelo.

Cada vez que transcurre un tiempo de generacin, el nmero de clulas se duplica, siguiendo, por tanto, un incremento exponencial.

4.3 Consumo de sustrato

En la figura, se va consumiendo un substrato cuya concentracin decrece de forma proporcional al crecimiento de la biomasa.

4.3 Consumo de sustrato

Definiremos el rendimiento de utilizacin del substrato (Yx/s) al valor que representa la cantidad de biomasa producida por unidad de substrato consumido:

Yx/s=dX/dS

Datos de una cintica

Tiempo (h) X (g/L) S (g/L)

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30 35

Co

nce

ntr

aci

n (

g/L)

Tiempo (h)

X(g/L)

S(g/L)

ETOH (g/L)

Datos de una cintica t(h) X(g/L) S(g/L) ETOH (g/L) 0 0.1 99.5 0.245 2 0.2 91 4.41 4 0.5 80 9.8 6 0.9 72 13.72 8 1.4 64 17.64

10 2 50 24.5 12 2.6 44 27.44 14 3.1 26 36.26 16 3.9 15 41.65 18 4 3 47.53 20 4.1 3 47.53 22 4.2 4 47.04 24 4.4 5 46.55 26 4.3 3 47.53 28 4.2 2 48.02 30 4.3 3 47.53

4.3 Consumo de sustrato Haciendo las transformaciones que se indican a continuacin

sobre la frmula que relaciona la variacin de biomasa con la de substrato (8), llegamos a la definicin de un nuevo concepto qs denominado tasa especfica de consumo de substrato por el organismo.

Yx/s = dX/dS

dX/dt = Yx/s (dS/dt)

(dN/dt)/X= Yx/s (dS/dt)/X

= (dX/dt)/X

= Yx/s qs

qs, Esto es, la velocidad especfica de consumo de substrato

qs = /Yx/s

4.3 Consumo de sustrato

Como se obtendra la velocidad especifica de formacin de producto, qp?

4.3 Consumo de sustrato

Por ltimo, nos falta relacionar la tasa de crecimiento () con la concentracin de substrato (S).

En condiciones de substrato abundante, la concentracin de este no afecta al valor de ; pero cuando el substrato se hace limitante, s existe ese efecto.

La expresin matemtica que relaciona ambos parmetros se conoce con el nombre de ecuacin de Monod y es la siguiente:

= max [S/(Ks+S)]

MONOD

En esta ecuacin la tasa de crecimiento () depende de la mxima que puede alcanzar el microorganismo (max), de la concentracin de substrato (S) y de un valor constante, Ks, que representa la concentracin de substrato a la que se alcanza una tasa de crecimiento igual a la mitad de la mxima.

La ecuacin de Monod tendr mucha importancia al tratar de cultivos continuos. Para que se cumpla esta ecuacin el rendimiento debe ser independiente de la concentracin de substrato.

En la prctica, los valores de Ks suelen ser muy bajos, lo que indica que los microorganismos crecen con tasas () muy prximas a las mximas (max) a concentraciones de substrato bajas y slo cuando estas son extremadamente bajas, la velocidad de crecimiento se reduce. Esto es debido a que los sistemas de transporte de nutrientes suelen tener valores de Km considerablemente reducidos (La Km indica la concentracin de substrato a la que la velocidad de transporte es la mitad de la mxima)

Ejercicio: encuentre max tiempo (h) S= 20g/L S=40g/L

0 0.08 0.08 2 0.11 0.1 4 0.23 0.15 6 0.35 0.25 8 0.45 0.33

10 0.5 0.45 12 0.53 0.5 14 0.6 0.53 16 0.66 0.6 18 0.77 0.65 20 0.8 0.65 22 0.8 0.65 24 0.8 0.65

4.4 Mantenimiento celular

Adems del consumo de sustrato para producir nuevas clulas, parte de los sustratos se emplean simplemente para mantener las actividades cotidianas de las clulas

m= masa de sustrato consumid para mantenimiento/(masa de clulas* tiempo)

Valor tpico de m es: 0.05 gS/gX h-1

Velocidad de consumo de S para mantenimiento: rs=mX

4.5 Requerimiento de oxgeno-Tolerancia a etanol del microorganismo

La tolerancia al alcohol depende de la habilidad de la clula para exportar el etanol del interior al medio externo, un proceso que depende de la composicin de la membrana y de la fluidez de la misma.

4.5 Requerimiento de oxgeno-Tolerancia a etanol del microorganismo

La clula modifica la composicin en cidos grasos de la membrana para minimizar los efectos que produce el etanol.

La adaptacin de las levaduras al etanol tambin obedece a una modificacin de la composicin lipdica de las membranas debido bsicamente a un enriquecimiento de las mismas en esteroles y acido grasos de cadena larga.

4.5 Requerimiento de oxgeno-Tolerancia a etanol del microorganismo

Para que las levaduras puedan adaptarse a altas concentraciones de alcohol, debe existir un aumento del contenido de cidos grasos insaturados con respecto a los saturados y un aumento en la longitud de las cadenas carbonadas de los cidos grasos (Tomasso, 2004).

4.6 Efecto de pH y la temperatura sobre el crecimiento

4.6 Efecto de pH y la temperatura sobre el crecimiento 1.- Temperatura: Cada microorganismo tiene una temperatura de crecimiento adecuada. La temperatura de cultivo ptima, es en donde se observa la velocidad mxima de crecimiento.

4.6 Efecto de pH y la temperatura sobre el crecimiento

4.6 Efecto de pH y la temperatura sobre el crecimiento

2.- pH: Es un parmetro crtico en el crecimiento de microorganismos ya que cada tipo de microorganismo slo puede crecer en un rango estrecho de pH fuera del cual mueren rpidamente.

El pH interno en la mayora de los microorganismo est en el rango de 6.0 a 7.0.

Sin embargo, las levaduras tienen rango ptimo de pH que va desde 3.5 hasta 5.5.

Fin