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PROCESOS DE PROCESOS DE FERMENTACIÓNFERMENTACIÓN

ÍNDICE:ÍNDICE:

1.- INTRODUCCIÓN.

2.- MATERIAS PRIMAS Y MEDIOS DE CULTIVO.

4.- CINÉTICA DE LAS REACCIONES.

5.- SISTEMAS DE FERMENTACIÓN.

1.- Introducción.

1.- INTRODUCCIÓN1.- INTRODUCCIÓN..

1.1.- Concepto de fermentación.

1.2.- Importancia de la fermentación en la biotecnología alimentaria.

1.3.- Ejemplos.

1.1.-Concepto de fermentación1.1.-Concepto de fermentación

Proceso de fermentación:

MICROORGANISMOSBacterias, levaduras , hongos

MEDIO DE CULTIVO

CONDICIONES AMBIENTALES

MICROORGANISMO

CO2

PRODUCTOIntra o extra celular

1.2.- Importancia de la 1.2.- Importancia de la fermentación en la biotecnología.fermentación en la biotecnología.

Procesos de fermentación en alimentos:– Naturales o espontáneas (fermentación del

cacao,ensilado, pozol).– Inoculadas ( vino, yogurt, tempeh).

Procesos de fermentación en medios de cultivo:– Producción de biomasa (proteína unicelular,

levadura de pan, levadura de cerveza).– Obtención de metabolitos primarios ( alcohol,

ácidos orgánicos) y secundarios ( enzimas, polisacáridos).

1.3.- Ejemplos.(I)1.3.- Ejemplos.(I)

TIPOS DE FERMENTACIÓN DE VARIOS MICROORGANISMOS:

Fermentación Productos OrganismosAlcohólica Etanol + CO2 Levadura(Sccharomyces)

Ácido láctico Ác. láctico Bacterias del ácido lácticoÁcido mixto Ác. láctico,acético,etanol, CO2, H2 Bacterias entéricas(Escherichia, salmonella)butanediol Butanediol, ác. láctico, acético, etanol, CO2, H2 Bacterias entéricas(Aerobacter, Serratia)

Ácido buritico Ác. burítico, acético, CO2, H2 Clostridios(Clostridium butyricum)Acetona- butanol Acetona, butanol, etanol Clostridios(Clostridium acetobutylicum)Ácido propiónico Ác. propiónico Levadura(Sccharomyces)

1.3.- Ejemplos.(II)1.3.- Ejemplos.(II)Fermentación etílica:

– Se transforman los azúcares de las uva en etanol, debido a la acción de las levaduras.

1.3.- Ejemplos.(III)1.3.- Ejemplos.(III)Levaduras saccharomyces cerevisiae (principales

responsables de la fermentación alcohólica)

1.3.- Ejemplos.(IV)1.3.- Ejemplos.(IV)

Fermentación láctica:

2.- Materias primas y2.- Materias primas ymedios de cultivomedios de cultivo..

2.- MATERIAS PRIMAS y 2.- MATERIAS PRIMAS y MEDIOS DE CULTIVOMEDIOS DE CULTIVO..

2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.

2.2.- Preparación del sustrato.

2.3.- Medios de fermentación microbiana.

2.4.- Medios de cultivo de células animales.

2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento de células vegetales.

2.6.- Mantenimiento y esterilización.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(I)formulación del medio.(I)

CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIOS DE CULTIVO:

– Contener los elementos para la síntesis celular y para la formación de producto

– Medio ambiente favorable para el crecimiento y/o formación del producto.

– Económicamente rentable.– Máxima producción.– Adaptación constante al proceso de fermentación.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(II)formulación del medio.(II)

– Recuperación del producto.– Eliminación de la represión catabólica.– Materiales de fácil disposición en cantidad suficiente.– Bajos costes de transporte.– Impedir que las impurezas dificulten la recuperación de

producto.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(III)formulación del medio.(III)

INFLUENCIAS DEL MEDIO :

1.- En el crecimiento celular.

2.- En el procesado posterior.

3.- En la fisiología y morfología de los microorganismos.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(IV)formulación del medio.(IV)

1.- INFLUENCIA DEL MEDIO EN EL CRECIMIENTO

CELULAR.– Los microorganismos necesitan:

CarbonoNitrógenoMineralesFactores de crecimientoAguaOxígeno(aerobios)

MicroorganismosBiomasaBiosíntesis y mantenimiento celular

Condiciones medioambientales:pH, Temperatura...

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(IV)formulación del medio.(IV)

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(V)formulación del medio.(V)

Elementos en el medio:Similar a la composición elemental de los microorganismos.

– La cantidad de carbono necesaria en condiciones aerobias, se determina por el coef. de rendimiento de biomasa:

Factores de crecimiento: aminoácidos, vitaminas o nucleótidos.(Por necesidad p para aumentar la velocidad de crecimiento)

C H O N S45 7 33 10 2,5

Cu, Mn,Co,Mo,B....Trazas

)(

)(

gutilizadocarbonoSubstrato

gproducidaBiamasac

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(VI)formulación del medio.(VI)

2.- INFLUENCIA EN EL PROCESADO POSTERIOR:

Subproductos proceso de recuperación más caro y

complejo. (Procesos de purificación de productos y

tratamiento de desechos). Necesidad de adicionar antiespumantes

Problemas en el procesado de productos asociados con el crecimiento microiano

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(VII)formulación del medio.(VII)

3.- INFLUENCIA DEL MEDIO EN LA FISIOLOGÍA Y MORFOLOGÍA DE LOS MICROORGANISMOS.

Las condiciones relacionadas con el medio que han demostrado tener influencia en la morfología :

ViscosidadpH Cationes

divalentes

Polímeros anióticos

Agentesquelantes

Presencia de sólidos

Agentes tensoactivos

Morfología

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(VIII)formulación del medio.(VIII)

PH:Las hifas del P. Chrysogenum se vuelven más cortas y gruesas a

medida que el pH es más alcalino, forman gránulos.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(IX)formulación del medio.(IX)

CATIONES DIVALENTES: inducen el crecimiento en forma de gránulos, sus efectos pueden contrarrestarse con AGENTES QUELANTES.– La presencia de cationes influye en la floculación de las levaduras

(importante en su sedimentación y eliminación en la producción de bebidas alcohólicas no destiladas).

– El manganeso afecta a la composición celular de la pared celular de A. Niger.

AGENTES TENSOACTIVOS: Algunos aumentan la velocidad de secrección de los enzimas microbianos extracelular.

NITRÓGENO: niveles bajos inducen la formación de esporas. AMINOÁCIDOS: niveles elevados inhiben la formación de esporas.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(X)formulación del medio.(X)

CONTROL DEL PROCESO:VARIABLES.1.-PH

2.-ESPUMA

3.-OXÍGENO

4.-TEMPERATURA

5.-REGULACIÓN DE LA FORMACIÓN DE PRODUCTO.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(XI)formulación del medio.(XI)

1.-PH:

Control necesario para el desarrollo celular y formación de producto.

Control de forma indirecta o de forma directa: Directamente (Añadiendo agentes tamponantes):

– Fosfato inorgánico pH entre 6.0 y 7.5.– Ácidos orgánicos pH bajos.– Carbonato cálcico frente a la producción de ácidos.– Hidroxisales, amoniaco, ácidos sulfúrico y clorhídrico.

Indirectamente ( mediante un balance equitativo entre las fuentes de carbohidrato y nitrógeno).

– Los carbohidratos bajan el pH (formación de ácidos orgánicos).– Asimilación del nitrato alcalinidad.– DESVENTAJAS: Efectos represivos sobre la formación del producto.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(XII)formulación del medio.(XII)

2.- ESPUMA: ORIGEN:

Desnaturalización de las proteínas en la interfase gas- líquido.

PROBLEMAS:

Ascender hasta ocupar totalmente la cabeza del fermentador. Evacuar parte del contenido del aparato por la salida del aire.

SOLUCIÓN:

Antiespumantes ( agentes tensoactivos que reducen la tensión superficial de las espumas hasta dispersarlas ).

Rompedores mecánicos.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(XIII)formulación del medio.(XIII)

ANTIESPUMANTES:– Eficacia (Depende de las condiciones de fermentación):

Composición del medio, cepas microbianas, etapa de crecimiento, configuración de las vías de aireación y del fermentador.

– Selección y cantidad del antiespumante: Procedimientos de ensayo y error. Uso de soportes(aceites orgánicos y minerales) Cantidad de antiespumante mínima ( afecta a la velocidad de

transferencia de oxígeno hasta u 50%) No deben ser tóxicos ni peligrosos, esterilizables por el calor y

baratos.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(XIV)formulación del medio.(XIV)

3.- OXÍGENO.

– Requerimientos en procesos aerobios.– Influencia sobre los procesos metabólicos.– Velocidad de absorción específica de oxígeno

concentración de oxígeno disuelto– Antioxidantes como protección del producto.

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(XV)formulación del medio.(XV)

4.-TEMPERATURA:

– Temperatura óptima para la producción celular o de metabolitos.

– Uso de termostatos

2.1.- Criterios utilizados en la 2.1.- Criterios utilizados en la formulación del medio.(XVI)formulación del medio.(XVI)

5.-REGULACIÓN DE LA FORMACIÓN DEL PRODUCTO. PERCUSORES INDUCTORES

– incorporarse al medio el inductor específico– mediante adiciones continuas o discontinuas

INHIBIDORES:– minimizar la formación de otros intermedios metabólicos.– Prevenir el metabolismo posterior al producto deseado

Ejemplos:– Fuente de N utilizable rápidamente inhibe la producción de algunos antibióticos.– El ácido fenilacético es el ppal percusor en la producción de bencilpenicilina por

fermentación.

2.- MATERIAS PRIMAS y 2.- MATERIAS PRIMAS y MEDIOS DE CULTIVO.MEDIOS DE CULTIVO.







2.2.-Preparación del sustrato.2.2.-Preparación del sustrato. OBJETIVOS:

– Evitar el desarrollo de patógenos y alterantes para prolongar la vida

del alimento.

– Favorecer el desarrollo de los microorganismos deseados.

– Hacer accesible el sustrato a los microorganismos que deben llevar a

cabo la transformación.

– Mejorar la textura, el aroma o el sabor del producto final.

EJEMPLOS:

– Adición de proteínas durante la fabricación del yogurt.

– Prensado de la uva( se favorece el acceso al sustrato).

2.3.-Medios de fermentación 2.3.-Medios de fermentación microbiana.( I )microbiana.( I )

Los compuestos petroquímicos ( hidrocarburos, alcoholes y ácidos) Cuando el petróleo era barato no mucha extensión.

En la actualidad: materias primas renovables que contienen azúcar y almidón y menos grasas y aceites.

Futuro: los productos de la hidrólisis de la lignocelulosa las materias primas más importantes en los procesos de la fermentación .( La lignocelulora representa el 50% de la producción anual mundial de biomasa).

2.3.-Medios de fermentación 2.3.-Medios de fermentación microbiana.( II )microbiana.( II )

CARBOHIDRATOS:– ALMIDÓN: es el más importante actualmente .

En forma de granos o raices, enteros o molidos, de plantas como el maíz, arroz, trigo , patatas y mandioc como almidón purificado, modificado o como dextrinas.

– CELULOSA: Presente en la madera combinado con la hemicelulosa y la

lignina en forma de lignocelulosa La lignina hace a la celulosa resistente al ataque microbiano

No son rentables los métodos químicos y enzimáticos que convierten la lignocelulosa en azúcares fermentables. ( Para obtener champiñones y substrato para producir enzimas celulolíticas)

2.3.-Medios de fermentación 2.3.-Medios de fermentación microbiana.( III )microbiana.( III )

– SACAROSA: En forma cristalina o en forma bruta como zumos o melazas ( subproducto

de la manufactura de azúcares más barato varía su composición , causando problemas en la reproductibilidad de la fermentación).

– LACTOSA: En el suero de la leche ( 4% al 5%). La baja concentración, , caro su transporte.Solo se utiliza en lugares próximos a la

factoría de quesos proveedora.

– GLUCOSA: Se obtiene a partir de la conversión enzimática directa del almidón. Glucosa refinada, en forma de jarabe o cristalina para productos de mayor valor.

– ACEITES VEGETALES ( de soja, palma y semillas de algodón como complemento delos carbohidratos), METANOL, ETANOL......

2.3.-Medios de fermentación 2.3.-Medios de fermentación microbiana.( IV )microbiana.( IV )

NITRÓGENO:– Fuentes: amoniaco, nitratos, urea, y el nitrógeno presente en los

cereales y raíces y sus subproductos.– Los aminoácidos purificados como percusores.

SUBSTRATOS COMPLEJOS:– Son una fuente barata de carbono, nitrógeno y otros nutrientes.– Presentes en plantas enteras y subproductos vegetales, animales

y microbianos.

2.3.-Medios de fermentación 2.3.-Medios de fermentación microbiana.( V )microbiana.( V )

Substratos complejos utilizados en los medios de fermentación microbiana.FUENTE INGREDIENTES PROT. CARBOH. GRASA FIBRA CENIZA

Cebada 11,5 68,0 1,8 7,0 2,5Cebada malteada 13,0 70,0 2,0 3,5 2,5Maiz 9,9 69,2 4,4 2,3 1,3Avena 12,0 54,0 4,5 12,0 4,0Arroz 13,0 65,0 2,0 10,0 4,5Trigo 8,2 69,0 1,9 2,6 1,8

Melazas 3,0 54,0 0,4 9,0Pulpa de remolacha 8,9 59,1 0,6 18,3 3,1Pulpa de agrios (seca) 6,0 62,7 3,4 13,0 6,9Harina de germen de maiz 22,6 53,2 1,9 9,5 3,3Salvado de arroz 13,0 45,0 13,0 14,0 16,0Harina integral de soja 42,0 29,9 4,0 6,0 6,5

Sangre 80,0 2,5 1,0 1,0 3,0Harina de pescado 72,0 7,5 1,0Harina de hueso 50,0 0,0 8,0 3,3 31,0

Subp deriv microorganismos Hidrolizado de levaduras 52,5 0,0 1,5 10,0

Cereales enteros

Subpr.derv. plantas

Subp. deriv.animales

2.4.-Medios de cultivo de células 2.4.-Medios de cultivo de células animales.(I)animales.(I)

SUEROS UTILIZADOS :– Suero fetal de ternera como medio de cultivo de células de

mamífero .

INCONVENIENTES: Existencias limitadas y alto precio.

– Sueros de ternera, ternera recién nacida y caballo.

FORMAS DE UTILIZAR LOS SUEROS:– Suero entre un 5-10% del volumen del medio de cultivo, puede

reducirse al 1-2%.

2.4.-Medios de cultivo de células 2.4.-Medios de cultivo de células animales.(II)animales.(II)

FUNCIONES DEL SUERO EN LOS MEDIOS DE CULTIVO.

– Proporciona hormonas y factores de crecimiento necesarios para la función celular.

– Suministra los factores necesarios para la unión al soporte.– Actúa como agente tamponante.– Se une e inactiva o secuestra compuestos tóxicos.– Contienen proteínas ligadoras que estabilizan y/o transportan

nutrientes y hormonas a la célula.– Suministra nutrientes para el metabolismo de la célula.– Contiene inhibidores de proteasas.– Contiene elementos traza ( Selenio..)

2.4.-Medios de cultivo de células 2.4.-Medios de cultivo de células animales.(III)animales.(III)

TIPOS DE MEDIOS DE CULTIVO:– BASALES Y BME :(medio basal de Eagle), muy usado en el cultivo de células

de mamífero( especie humana, bovina, equina...) Tiene concentraciones elevadas de los nutrientes más comunes. Ideales para estimular la proliferación.

– SUPLEMENTADOS CON NUTRIENTES INTERMEDIOS: Para el crecimiento de células de mamíferos secundarios y de líneas celulares

inmortales.

– QUIMICAMENTE DEFINIDOS (medios sin suero): Para que los científicos investiguen los procesos en cultivos celulares con el

mínimo de influencias extrañas. Fácil aislamiento y purificación de productos .

2.5.-Medios de cultivo de células 2.5.-Medios de cultivo de células vegetales.(I)vegetales.(I)

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS MEDIOS DE CULTIVO DE CÉLULAS VEGETALES:

– Fuente de carbono orgánico. El más común la sacarosa, también mono y disacáridos como

glucosa, fructosa, maltosa y lactosa.

– Fuente de nitrógeno. Nitratos, a veces también sales amónicas. Algunas células necesitan nitrógeno orgánico en aminoácidos

( positivo en las primeras etapas del crecimiento microbiano).

– Sales orgánicas.

– Reguladores del crecimiento. Hormonas vegetales (auxinas, que inducen la división celular). Citoquininas ( Regulación del crecimiento en plantas).

2.6.-Mantenimiento y esterilización.(I)2.6.-Mantenimiento y esterilización.(I)

1.- MANTENIMIENTO DE LOS MEDIOS . El medio de almacenamiento y subcultivo de cepas industriales clave

debe ser diseñado para: Conserve las características necesarias que permitan la

capacidad de producción particular.

Minimicen la variación genética. ¿ POR QUÉ UTILIZAR MEDIOS DE MANTENIMIENTO?

CEPAS METABOLITOSTÓXICOS

EFECTOS DESESTABILIZANTES

2.6.-Mantenimiento y esterilización.(II)2.6.-Mantenimiento y esterilización.(II)

2.- ESTERILIZACIÓN DE CULTIVOS. OBJETIVOS:

– Evitar el desarrollo de microorganismos patógenos.– Evitar el desarrollo de microorganismos alterantes.– Incrementar la reproducibilidad del proceso (rendimiento, pureza y tiempo de

producción).

MÉTODOS DE ESTERILIZACIÓN:– Calor húmedo (autoclave o chorro de vapor).– Calor seco– Radiación ( Rayos X ,UV)– Esterilización química con líquidos o gases.– Filtración (filtros de superficie o de profundidad).– Nuevos métodos ( altas presiones, campos eléctricos)

2.6.-Mantenimiento y esterilización.(III)2.6.-Mantenimiento y esterilización.(III)

¿DONDE SE CONTROLA LA ESTERILIDAD?

– Mantener la pureza del inóculo.

– Esterilizar el medio de cultivo y los aditivos.

– Esterilizar el material en contacto con el medio ( recipiente, fermentador, válvulas y conductos)

– Esterilizar los gases entrantes y salientes.

– Manterner las condiciones asépticas durante la manipulación.

– Contrucción apropiada del biorreactor para su esterilización y para la prevención durante la fermentación.

2.6.-Mantenimiento y 2.6.-Mantenimiento y esterilización.(IV)esterilización.(IV)

2.6.-Mantenimiento y 2.6.-Mantenimiento y esterilización.(IV)esterilización.(IV)

TIPOS DE ESTERILIZACIÓN.

ESTERILIZACIÓN DISCONTINUA ESTERILIZACIÓN CONTINUAT 121ºC 20-30 segundos a 90-120 ºC

30-120 segundos a 140ºC20-30 segundos refrigeración

Calentamiento por inyección de vapor Calentamiento por inyección de vapor o intercambiadores de calor o intercambiadores de calorAlto consumo de energía. Formación de sales insolublesAlteración y destrucción de nutrientes. Tamaño de la partícula restringida a 1-2 mm

Tiempos de esterilización mayores(2-3h)

Cinética del crecimientoCinética del crecimiento

3.1-¿Qué entendemos por crecimiento?3.2-Conceptos básicos3.3-Formas de medición del crecimiento3.4-Crecimiento en cultivo intermitente Fases del crecimiento3.5-Factores que afectan al crecimiento

El crecimiento se puede considerar como el aumento ordenado de todos los constituyentes

químicos de un organismo.

En organismos unicelulares el crecimiento conduce a un aumento en el número de células más que un

aumento en el tamaño celular

3.1-Crecimiento3.1-Crecimiento

3.- CINETICA DEL CRECIMIENTO DE LOSMICROORGANISMOS

3.2-Conceptos básicos

Generación (n) Es el número de divisiones celulares que ocurren en un determinado tiempo en un cultivo microbiano Velocidad de crecimiento: n

vc = tEs el cambio en el número de generaciones por unidad de tiempo Tiempo de generaciónEs el tiempo requerido para que a partir de una célula se formen dos, o sea el tiempo requerido para duplicar el número de células de una población

-A nivel de individuos dentro de población CICLO CELULAR-Crecimiento de poblaciones celulares CICLO DE CRECIMIENTO

Sª Cerrados Sª abiertos

viableCélula microbiana no viable

El crecimiento puede serEl crecimiento puede ser : :

Gemación, ej. levaduras

Ciclo celular: fisión binariaCiclo celular: fisión binaria

Crecimiento de poblacionesCrecimiento de poblacionesCrecimiento exponencial: es el tipo de crecimiento de una población donde el número de células se duplica cada cierto tiempo

3.3- Formas de medición del 3.3- Formas de medición del crecimiento microbianocrecimiento microbiano

3.3.1- Peso seco celular

3.3.2- Absorción

3.3.3- Peso húmedo

3.3.4- Volumen

3.3.5- Número de células

3.3.6- Mediciones físicas

3.3.1- Peso seco celular3.3.1- Peso seco celular

Consiste en dejar secar volúmenes conocidos de cultivo celular lentamente hasta que alcancen peso cte. Se mide en g/l

En ocasiones para concentrar las células se usa el centrifugado o filtrado según la dificultad.

Es el mas usadoDesventaja: pueden dar grandes errores

en caso de absorción de humedad por las células secas.

3.3.2- Absorción3.3.2- Absorción

Consiste en el uso de celdas espectrofotométricaspues las células desvían la luz q llega al detector y esa desviación está relacionada con el nº de células presentes (o también puede relacionarse con la densidad ) en la muestra según la Ley de Beer

3.3.3- Peso húmedo3.3.3- Peso húmedo Consiste en una centrifugacióno filtración seguida del pesado. Este proceso es extrarrápido, hay necesidad de estandarizar el proceso ya que se mide tanto el agua intracelular como el extracelular ocasionando errores considerables.

Recuento de viables - Recuento de viables - Filtración por membranaFiltración por membrana

3.3.4- Volumen3.3.4- VolumenConsiste en la centrifugación en

tubos graduados de tal forma q me permitan determinar el volumen de células empacadas.

Es un método bastante inexacto especialmente para pequeños cambios de la población celular

por cámara de Petroff-Hausser

Muestra de cultivo diluído en cámara de volumen pequeño y conocido (2,5x10-7 ml), recuento de células en numerosos cuadrados de la cámara. Promedio de células contenidas en dicho volumen se expresa por ml de muestra (alto error experimental). Desventaja: no se pueden distinguir células viable y no viables

3.3.5- Recuento de células3.3.5- Recuento de células

3.3.6- Mediciones físicas3.3.6- Mediciones físicasEl crecimiento de células origina la

generación de calor la cual está relacionada con la concentración de biomasa. Es un proceso rápido y no necesita de muestreo. Se usa para el caso de biorreactores , pues sino las variaciones de calor generado son pequeñas para poder ser mediadas adecuadamente.

3.4- Crecimiento en cultivo 3.4- Crecimiento en cultivo intermitenteintermitente

El cultivo intermitente representa el crecimiento en un sistema cerrado.

Cuando un medio se inocula con células, tiene lugar una secuencia de eventos llamado ciclo de crecimiento.

Representaremos el peso seco celular (X) en g/l contra el período de incubación en horas (h):

1- Fase de latencia 2- Fase exponencial 3- Fase estacionaria 4- Fase de muerte

Crecimiento de un Crecimiento de un microorganismo en medio microorganismo en medio

de cultivo líquidode cultivo líquido

•Fase lag - las células se adaptan al nuevo ambiente, aun no se dividen

•Fase exponencial (log) velocidad máxima de crecimiento bajo condiciones particulares, tiempo de generación mínimo

•Fase estacionaria Ésta se caracteriza por ningún crecimiento neto. De echo el crecimiento puede estar ocurriendo, pero esta equilibrado por la rapidez de muerte o lisis celular.

•Fase de muerte - velocidad de muerte celular > velocidad de división celular

Fases de crecimientoFases de crecimiento

Cinética de crecimiento en Cinética de crecimiento en cultivo intermitentecultivo intermitente

El crecimiento microbiano unicelular es autocatalítico, es decir la vc es proporcional a X ya presente. De modo q durante el crecim exponencial, X aumenta como sigue: Xo 2Xo 4Xo 8Xo nXoEl intervalo de tiempo se llama tiempo de duplicación (td), de manera que n después del tiempo t vale t/td y X vale Xo* 2 t/td

Representación aritmética y Representación aritmética y exponencial del crecimientoexponencial del crecimiento

Los factores que intervienen son:- concentración de substrato- temperatura- pH- actividad de agua- potencial redox,concentrac de oxigeno- radiación- presión hidrostática

3.5- Factores que afectan a 3.5- Factores que afectan a la rapidez de crecimientola rapidez de crecimiento

Efecto de la temperaturaEfecto de la temperaturaCada microorganismo tiene una temperatura de

crecimiento adecuadaSi consideramos la variación de la velocidad de

crecimiento () en función de la temperatura de cultivo, podemos observar una temperatura mínima por debajo de la cual no hay crecimiento (dX/dt = 0); a temperaturas mayores se produce un incremento lineal de la velocidad de crecimiento con la temperatura de cultivo hasta que se alcanza la temperatura óptima a la que es máxima. Por encima de esta temperatura óptima, la velocidad de crecimiento decae bruscamente (µ 0) y se produce la muerte celular.

Tipos de microorganismos Tipos de microorganismos según la temperaturasegún la temperatura

Tipode microorg T mínima T óptima T máxima

Psicrófilo -5 +5 12 – 15 15 - 20Psicrótrofo -5 +5 25 – 30 30 - 35Mesófilo 5 – 15 30 – 45 35 - 47Termófilo 40 – 45 55 – 75 60 - 90

Veloc de crecimiento

Temperatura (ºC)

20 40 60 80

Psicrófilos

Mesófilos

Termófilos

GráficaGráfica

Efecto del pHEfecto del pH

Es un parámetro crítico en el cultivo de microorganismos ya que estos sólo pueden crecer en un rango estrecho de pH fuera del cual mueren rápidamente. El pH intracelular es ligeramente superior al del medio que rodea las células ya que, en muchos casos, la obtención de energía metabólica depende de la existencia de una diferencia en la concentración de protones a ambos lados de la membrana citoplásmica.

•Cada tipo de microorganismo tiene un rango de pH en el que puede vivir adecuadamente, fuera de este rango muere. •Los rangos de pH tolerables por diferentes tipos de microorganismos son, también, distintos. •El pH interno en la mayoria de los microorganismos está en el rango de 6.0 a 7.0.

Aspectos sobre el pHAspectos sobre el pH

ActividadActividad del aguadel agua

Se denomina actividad de agua a la relación entre la presión de vapor de agua del substrato de cultivo (P) y la presión de vapor de agua del agua pura (P0):

P aw= P0

Las radiaciones ultravioleta (uv), Rayos X y radiación producen efectos esterilizantes (destrucción de microorganismos) al alterar las proteínas, membranas, ácidos nucleicos y al generar radicales libres del tipo OH y H. El procedimiento es similar al descrito para el uso de altas temperaturas. Hay que considerar, sin embargo, los poderes de penetración de los diferentes tipos de radiación. Así, por ejemplo, la radiación uv tiene un poder de penetración muy bajo y, por consiguiente, se utiliza para esterilizar superficies, mientras que la radiación X o la tiene poderes de penetración mucho mayores.

Efecto de la radiaciónEfecto de la radiación

Presión hidrostáticaPresión hidrostáticaLas altas presiones inhiben el crecimiento de los

microorganismos La razón por la que las altas presiones inhiben

el crecimiento no está clara, aunque se ha visto que se detiene la síntesis de proteínas y los procesos catabólicos.

El efecto de la presión sobre el crecimiento de los microorganismos tiene importancia en el desarrollo de sistemas de eliminación de microorganismos en alimentos y en la consideración de los microorganismos que participan en procesos en los que aumenta la presión.

Potencial redox: Potencial redox: Concentración de oxígenoConcentración de oxígeno

Este es otro factor determinante del crecimiento y del metabolismo del cultivo. El potencial redox del medio de cultivo nos indica su capacidad para aceptar o donar electrones, esto es: sus características oxidantes o reductoras. Uno de los factores que intervienen en el potencial redox, aunque no el único, es la concentración de oxígeno [O2].Hay microorganismos que requieren ambientes oxidantes para crecer, mientras que otros necesitan ambientes reductores.

En general, cuando un microorganismo requiere un ambiente oxidante se dice que desarrolla un metabolismo oxidativo (o respirativo) mientras que los microorganismos que requieren ambientes reductores (o menos oxidantes) realizan un metabolismo fermentativo.

Un microorganismo es aerobio cuando necesita oxígeno para vivir y es anaerobio cuando o bien no lo necesita o bien cuando muere en presencia de oxígeno (anaerobios estrictos como los clostridios).

Por otra parte, hay microorganismos que pueden desarrollar ambos tipos de metabolismo

ContinuaciónContinuación

4. Sistemas de Fermentación4. Sistemas de Fermentación

Sistemas de FermentaciónSistemas de Fermentación

Son formas diferentes de cultivo de microorganismos con el fin de obtener un rendimiento deseado

La velocidad o la calidad del producto son los objetivos del estudio de la cinética del crecimiento

Factores que Influyen en el Factores que Influyen en el CrecimientoCrecimiento

Son comunes para todos los sistemas:– Concentración de substrato– Temperatura– pH– Concentración alta de substrato o de producto

Consumo de Nutrientes y Consumo de Nutrientes y Formación de ProductoFormación de Producto

Relacionamos el consumo de substrato y la formación de producto con el crecimiento de material para cada uno

Las concentraciones iniciales de substrato o producto, pueden condicionan la rapidez del crecimiento

Consumo de Nutrientes y Consumo de Nutrientes y Formación de ProductoFormación de Producto

Para el Crecimiento– Acumulación total = crecimiento – desaparición

Para el consumo de Substrato– Acumulación de substrato = alimentación de substrato

– crecimiento – formación de producto – requerimientos para el mantenimiento

Para la formación de producto– Acumulación de producto = formación - destrucción

Rendimientos de Biomasa y Rendimientos de Biomasa y ProductoProducto

Muestran en cada caso la cantidad de biomasa o producto producido dependiendo de la cantidad de substrato

Se definen como la cantidad de biomasa o producto formado por unidad de substrato

Sistemas DiscontinuosSistemas Discontinuos

Se considera un sistema cerrado, para todo menos para la aireación

Tiene una cantidad limitada de medio

Se añade todo el substrato al principio de la fermentación

Cinética de un Sistema Cinética de un Sistema DiscontinuoDiscontinuo

La concentración de biomasa por unidad de tiempo es:

x – XR = γ (SR – s)

x = concentración celular en un tiempo tXR = inóculo o concentración celular inicialγ = rendimiento para el substrato limitante (g de biomasa por g de substrato consumido)s = concentración de substrato en el tiempo tSR = concentración inicial de medio

Sistema DiscontinuoSistema Discontinuo

Ciclo de Fermentación discontinuo

Sistemas Discontinuos Sistemas Discontinuos Alimentados a IntervalosAlimentados a Intervalos

El substrato se va añadiendo a intervalos durante el proceso

Es una variación del sistema discontinuo Tiene ventajas con respecto al sistema

discontinuo convencional. Evita procesos de represión y reduce la viscosidad del medio

Inconvenientes: el crecimiento eficiente tienelugar durante una pequeña fase del proceso

Sistemas ContinuosSistemas Continuos

Sistemas abiertos, en los que el medio se va añadiendo de un modo continuo a reactor

Se va eliminando medio fermentado del “centro” de la fermentación

Podemos distinguir dos modalidades:– Quimiostato– Turbidostato


Es básico controlar que el volumen de biorreactor sea constante

Existen diferentes formas de conseguir esto, puede ser mediante un tubo de sobreflujo, o mediante el mantenimiento de la velocidad de bombeo igual a la rapidez de flujo de entrada de medio


La concentración de biomasa viene dada por:

x’ = γ SR - Ks·D

μmax - D

X’ = concentración de biomasa en un estado estacionarioγ = rendimiento para el substrato limitante (g de biomasa por g de substrato consumido)Ks = constante inicialSR = concentración inicial de medioD = velocidad específica de crecimientoμmax = velocidad máxima de crecimiento

QuimiostatoQuimiostato

Suministramos nutriente esencial limitante a medida que va siendo necesario.

Se va eliminando biomasa para formarse biomasa nueva.

La densidad y rapidez de crecimiento se mantiene constante, debido a que la cantidad de substrato y de producto también se mantienen constantes.


Esquema del fermentador


La rapidez de crecimiento depende del tipo de nutriente limitante– Carbono– Nitrógeno– Fósforo– Vitamina

Los demás nutrientes esenciales están presentes en exceso.

TurbidostatoTurbidostato

El producto no se saca del reactorTenemos un circuito de reflujo, que acoge

el producto cuando hay exceso, de ese modo se mantiene constante la velocidad

La cantidad de producto que hay en el reflujo, determina la cantidad de medio que se añade al biorreactor

TurbidostatoTurbidostato

Esquema del turbidostato

Síntesis de Metabolitos Síntesis de Metabolitos SecundariosSecundarios

Existen productos cuya síntesis no está relacionada con el crecimiento, estos se denominan METABOLITOS SECUNDARIOS

No se puede relacionar su formación con el crecimiento porque no existe relación.

Los mas famosos son los Antibioticos

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