1. Bioprocesos:
• Se estudia la forma mas eficiente del proceso de obtención del producto
• Se utiliza herramientas ingenieriles para cuantificar un proceso biológico
• Todo aquel proceso donde se obtenga algún bien, producto o servicio a partir de un
MO o parte de el
Mo: células, hongos filamentosos, bacterias, levaduras, animales transgénicos (organismos
enteros), partes de organismos: enzimas, proteínas para la obtención de un producto
• Todo puede mejorarse mediante simulaciones y modelos
Fermentador: equipo que se utiliza para llevar a cabo las reacciones
Escalar: aumentar la producción de algo, es el estudio necesario para que lo que tengo en
poco volumen se produzca con la misma eficiencia en un tanque grande
• Se lleva a cabo en cultivos líquidos
• Erlenmeyer: agua + nutrientes + células
• Crecimiento en agitación y en la estufa
Objetivo: generar biomasa
• Se optimiza el proceso, buscando favorecer el crecimiento del MO, se favorece la
obtención de cualquier producto que este genere
• FCE: componente del MC mas importante de todos, tiene que estar si o si para los
quimio heterótrofos
o FCE mas común: glucosa, otros azúcares, polioles (glicerol), alcoholes,
• FN: aa, bn (hacen costoso el medio de cultivo), sales de amonio, hidróxido de amonio,
HNO3 (acido nítrico)
• Sales: magnesio, hierro, calcio, molibdeno, fosforo, potasio, cobre, zinc
Optimización del proceso: se ajusta la concentración de C y N, no solo importa la cantidad sino
el modo de administración (porque están implicados en la cinética) (define el modo de trabajo,
costos y tiempo)
Medio de cultivos
• Definido o sintético: se conoce cada uno de los componentes y su concentración
exacta
• Complejos: se utilizan residuos de agroindustrias o lisados de levaduras, su
composición es desconocida, son medios ricos con exceso de nutrientes
Lo primero que hay que analizar es el medio de cultivo antes de hacer crecer el MO
BIOPROCESOS
2. • Los cultivos se desarrollan hasta que se acaba el sustrato limitante
• Siempre tiene que ponerse un inóculo para que comience a crecer
Modelo de la caja negra
No importa la forma de obtención, las rutas metabólicas mediante por las cuales los nutrientes
(FCE, FN, sales, O2) son utilizados para obtener biomasa o algún producto.
Intenta cuantificar, pero no le interesa dentro de lo que ocurre dentro de la caja negra, es un
modelo muy simplificador que permite estudiar el proceso como una reacción química.
Carbono mol: es la formula de cualquier compuesto referida a un átomo de C
Glucosa: Glicerol: Biomasa:
PM X suponiendo 5% de sales: 25,8 g/cmol
Ecuación formal:
Balance de materia
Bce C:
Bce N:
Bce O:
Bce H:
Como se saca X y S del Erlenmeyer
Se toma una muestra y se centrifuga por 3 minutos para separar lo solido del líquido
• Pellet: se pasa a un vaso de precipitados tarado, donde se deja secar hasta peso
constante, y así se obtiene el peso de la biomasa
• Sobrenadante: el S se analiza mediante reacciones químicas y luego se mide al
espectrofotómetro
Como cuantificar la energía de la reacción
Es difícil saber cuanta agua se
genera debido a que el cultivo se
hace en medio líquido, además
puede evaporarse agua por la
temperatura de trabajo
BC puede tener 5% de error
Grado de reducción: cantidad de electrones que tiene disponible un cmol de un compuesto para
pasar a un nivel de referencia
Se utiliza para cuantificar la energía puesta en juego
3. ❖ Para calcular el grado de reducción hay que plantear la combustión del compuesto y
cuantificar los electrones disponibles de esa reacción
❖ Se necesita calcular n para conocer el
CHaObNc + nO2 → PCO2 + wH2O + KNH3
BC: 1 = P
BH: a = 2w + 3K w = a/2 – 3/2 K
BO: b + 2n = 2P + w n = P + w/2 – b/2
BN: c = K
n = 1 + a/4 – ¾ c – b/2
Regla mnemotécnica
ɣ = a la suma algebraica de cada estado de oxidación multiplicado por el referente
Balance del grado de reducción
1º Establecer el nivel de referencia: CO2, H2O, y N
Toda la energía contenida en la parte de los reactivos es la misma a la de los productos
ɣ del NR es 0
- El O es el que toma los electrones, no tiene e- para poner en juego, por lo que su ɣ = -4
❖ Situaciones hipotéticas:
o Si da menor a 0,95: puede ser que falte algún termino en la ec. de balance
▪ Puede ser que sea un producto
o Si da mayor a 1,05: puede haber algún dato experimental mal medido
Nivel de referencia: estado basal al que se convierte un compuesto pasándole todos los
electrones
NH3
ɣNH3
= 4 + a – 2b – 3c
ɣN2
= 4 + a – 2b ɣHNO3
= 4 + a – 2b + 5c
4. ▪ Si el BC y Bɣ da mal el problema puede ser el S porque esta en las 2
ecuaciones
▪ Si da mal BC: el CO2 es el problema
▪ Si da mal Bɣ: el O2 es el problema
Si el MO en anaerobio la producción de CO2 va a ser mayor por las rutas metabólicas
Modelo de los máximos teóricos
• Se busca un rendimiento máximo teórico para la formación de la biomasa, utilizando
los balances de la caja negra
BC: yx/s
MT
= 1 porque no hay formación de producto ni dióxido
Bɣ: yx/s
MT
= ɣs/ɣx
• Los compuestos con mucha energía tienen baja disponibilidad de C, tienen exceso ed
energía, hacen un esfuerzo para disipar energía
• Los compuestos de poca energía tienen alta disponibilidad de C, tienen que hacer
mucho esfuerzo para generar X
Modelo de los MT es un argumento racional para ver con que sustrato va a crecer mejor el
MO.
Se utiliza cuando no se conoce nada acerca del MO, se supone Xst, y se averigua cuanto es lo
máximo que puede crecer con cada FCE
Como se tiene 2 posibles resultados se elige lo mínimo en cada caso, porque se piensa que
como mucho va a crecer lo mínimo en el peor de los casos.
Los sustratos con un ɣ = 4 son los azúcares, buenos en dar C y energía
❖ Si se tiene un Mo del que no se conoce nada y se lo quiere hacer crecer, se estima un
yx/s
MT
y que el yx/s
real
va a ser el 60%
Si se cambia el NR, los rendimientos y los balances son los mismos porque el NR es un punto de
vista teórico, el MO va a crecer como debe crecer, sin importar de donde se lo mire
5. Cultivos con distintas FN
Si o si la FN tiene que estar en el NR
Cada uno tiene un MT distinto
Glutamato: es un aa, tiene una estructura ya ensamblada, no tiene que comenzar toda la
síntesis desde 0, el crecimiento va a ser mas fácil, por lo que el rendimiento es mayor. Llega
antes en función de ɣs al máximo (1), eso se debe a que la FN es mucho mas fácil de asimilar.
Limitación del modelo de máximo teórico
• Solo se aplica a sustratos cuyos ɣ sean parecidos al ɣ de la biomasa
o A medida que se aleja de ese ɣ el modelo tiene errores y ya no se cumple el
60%
Ácidos ɣ < 4
Valores de ɣ alcoholes 4 < ɣ < 6
Alquenos ɣ > 6
Energética del crecimiento microbiano
• Termodinámica del crecimiento
• Calor del cultivo: reacciones del crecimiento microbiano son exotérmicas
o En el laboratorio suelen ser imperceptibles
o A escala industrial, el calor es uno de los determinantes del costo del proceso,
debido a que hay que refrigerar, el costo operativo es alto por eso se tiene que
determinar cuanto calor genera el proceso
o La temperatura de crecimiento tiene que ser constante, por eso la remoción
del calor también tiene que ser de forma constante, se debe saber a que
velocidad hacerlo
• Calor del proceso se genera por varias vías:
o Metabólicas
Si se cambia la FN del medio de cultivo por algo fácilmente asimilable se esta facilitando
el crecimiento, el rendimiento es mejor
Cuanto mas difícil de asimilar sea la FN, el rendimiento va a ser menor
Y hace referencia a la facilidad que tiene el MO para asimilar ese MC
6. o Físicas (paletas dentro del reactor)
• Analizar la posibilidad de que ocurra
o ΔH (cuanto calor se genera)
o ΔG (para saber si la reacción ocurre o no)
• Calor: se puede medir experimentalmente
• Para enfriar el fermentador se tiene una camisa, una doble pared que rodea el
fermentador, por la que circula agua fría
• Lo que se usa para enfriar no esta en contacto con el MO
ΔHr : calor generado por cada cmol de sustrato
• Modelo plantea que cada uno de los componentes de la reacción tiene un calor de
combustión asociado y que se conserva
ΔHs + ΔHFN = yx/s ΔHx + yp/s ΔHp + ΔHr
CO2 y H2O están en el NR, el O2 no se puede seguir reduciendo
Como se estiman los valores de combustión
- Con las ecuaciones de combustión individuales
A + nO2 → CO2 + H2O + N
Si los compuestos están en el NR su ΔH = 0
Cuanto mas oxidados el ΔH es menor, lo mismo que con los ɣ
La relación ΔH / ɣ se mantiene bastante constante
Para cultivos aeróbicos
Restando con -460 b = ΔHr
Ecuación de combustión
Eficiencia N
Energía de Disipación D
7. Eficiencia energética
ΔGr → analiza si la reacción puede ocurrir o no, es lo que se disipa de energía para que ocurra
la reacción
ΔGs + a ΔGFN = yx/s ΔGx + ΔGr
Eficiencia energética: ηE = ΔGproductos / ΔGreactivos
ηE = yx/s ΔGx / (ΔGs + aΔGFN)
El ΔGr no se tiene en cuenta dentro del termino de eficiencia porque es lo que se libera como
calor para que la reacción ocurra
• ΔG = ΔH – TΔS
• ΔS es los cambios entrópicos que se generan
• Aeróbicos: por cada mol O2 consumido se genera 1 mol CO2, están aproximadamente
en el mismo orden, por lo que los cambios entrópicos son mínimos (porque lo que se
consume de O2 es aproximadamente lo mismo que se produce de CO2)
• Anaerobio: por cada mol de O2 consumido, se produce mucho mas CO2, los cambios
entrópicos son muy altos
Proceso aerobio ΔS 0
ΔGr = ΔH
Eficiencia entálpica: ηH = ΔHproductos / ΔHreactivos
η = yx/s ΔHx / (ΔHs + a ΔHFN) ΔH = -115 ɣ
= yx/s (-115ɣx) / (-115 ɣs -115 a ɣFN) FN en el NR
ηΗ = yx/s ɣx / ɣs Si se cambia el NR, cambia la definición
Proceso anaerobio
- Tener en cuenta la formación de producto
- Si es anaerobio el termino b no existe (aerobio: -460 b = ΔHr)
- ΔG se obtiene de tablas, no de la correlación
S + a FN → yx/s X + yp/s P + yCO2/s CO2 + w H2O + ΔHr
ΔHs + a ΔHFN = yx/s ΔHx + yp/s ΔHP + ΔHr
ΔGs + a ΔGFN = yx/s ΔGx + yp/s ΔGP + ΔGr
ηE = yx/s ΔGx / (ΔGs - yp/s ΔGP + a ΔGFN)
Eficiencia energética: capacidad que tiene un MO para aprovechar la energía que tiene el S
para crecimiento
La generación de un producto dentro
del proceso anaerobio se debe para
gastar el poder reductor. El producto
es un malgasto del sustrato si el
objetivo es obtener biomasa. Por eso
se considera que el P resta en el
denominador de la eficiencia.
8. La eficiencia energética para la generación de biomasa en un proceso anaeróbico se ve
disminuida por la formación del producto.
Modelo de disipación de energía
• Se normaliza todo en función de la biomasa
Disipación de energía: Dx = ΔGr / yx/s
• Es independiente de la forma de obtención de energía
o No le interesa si es aerobio o anaerobio, depende solo del MO y de la
naturaleza del S
Correlación de Heijen y Van Dijken
- Re presenta cuantos kJ se disipan para generar 1 cmolX utilizando distintos sustratos
- Se utiliza cuando no se sabe nada acerca del MO, y es mejor que aproximar utilizando
el modelo de MT, permite conocer con que S va a crecer mejor, disipando menos
energía
- La disipación de energía es un malgasto
- El mejor sustrato va a ser aquel que disipe menos energía
- El S que menos energía disipa es la glucosa (azúcar), son fácilmente asimilables para
generar crecimiento
• El modelo es útil para estimar rendimientos
Proceso aerobio
Dx: cantidad de energía que un MO tiene que liberar al medio para asimilar los
componentes del medio de cultivo y crecer
Para compuestos con ɣ muy grandes, disipan mucha
energía (tienen mucha energía que no es aprovechable)
A mayor ɣ, mayor Dx, el proceso es menos eficiente.
Se gasta mucha E para obtener C de su estructura
9. Proceso anaerobio
• Utilidad de conocer η
o Si se tiene un MO en diferentes S, se puede comparar la eficiencia con la que
un S se consume respecto a otro
• Modelo Dx permite estimar rendimientos, independientemente del modo de
obtención de E
o Permite estimar eficiencia del proceso independientemente de la forma de
obtención de E
o Importa como se usa la E para obtener X
Aerobio
La producción de X se ve
perjudicada por la formación
de producto
Porque siempre hay un termino Dx,
algo de E se disipa, sino el proceso
no ocurre
10. Anaerobio
Donde ocurre físicamente la reacción
Cultivos en fase líquida
Erlenmeyer
▪ Se utiliza agitado
▪ Forma estratégica para minimizar la evaporación
▪ Se cierra con un tapón de algodón (aerobios), o tapón de goma (anaerobios)
Biorreactor, fermentador: lugar donde se lleva a cabo la reacción
• Características que deben cumplir:
o Asegurar la esterilidad
o Permitir la homogenización: favorecer el mezclado (el MO solo toma lo que
esta disuelto en el MC)
o Asegurar parámetros físicos: T, P, pH
o Volumen mínimo y máximo asociado a los biorreactores
• Tiene que permitir censar variables como t y pH
o pH: no se puede medir con pHímetro porque hay que asegurar la esterilidad
▪ hay que tomar muestras y ver si se agrega ácido o base
o T: el equipo sobre el que se coloca el Erlenmeyer (shacker) trae un sistema que
da temperatura (como una estufa)
La toma de muestras hay ciertas fluctuaciones de temperatura, como la perdida de calor al
ponerlo y sacarlo del shacker.
Biorreactor tipo tanque agitado:
▪ Cilindro que tiene un eje con agitadores conectados a un motor que los hace girar
▪ Cerrado herméticamente
11. ▪ El aire que ingresa es filtrado antes de ingresar
▪ La tapa cierra herméticamente, pero tiene orificios por donde ingresa aire, sensores de
pH, O2 disuelto, biomasa, u otro tipo de sensores
▪ Tiene una entrada ciega por la que circula agua para enfriar
▪ Cada fermentador tiene una serie de sensores que permite medir diferentes cosas
▪ El cilindro puede ser de vidrio o acero inoxidable, la tapa sella mediante una goma
▪ Bafles: placas perpendiculares a la pared del biorreactor
o su función es impedir la formación de vórtices: los remolinos chocan contra las
paredes y se rompen, permiten la homogeneidad.
o Los remolinos mas pequeños generan mayor turbulencia
▪ Ventaja: permite censar las variables físicas durante el cultivo
▪ Posee entrada para distintas soluciones (ácido o base, medio de cultivo): permite
manejar lo que ingresa, se puede regular mientras ocurre el cultivo
▪ Son automáticos: cesan y agregan lo que necesiten, los cultivos autónomos son muy
reproducibles
▪ Pueden esterilizarse en el autoclave. Aquellos mas grandes poseen acoplado un
calentador que se autoesteriliza.
Fermentadores descartables:
▪ Misma tecnología que el tanque agitado
▪ Se usan para cultivos celulares en farma
▪ Son bolsas de plástico con tecnología que permiten mantener la esterilidad
Fermentador de agitación normal:
▪ No hay motores, se mezclan por la entrada de aire
▪ El tipo tanque agitado genera mucho estrés mecánico (es un problema en sistemas
biológicos porque puede causar que las células se rompan)
Air lift
▪ Son cilindros concéntricos conectados entre sí, donde el cilindro interno recibe el aire.
▪ El líquido del cilindro interno se airea, y disminuye su densidad aparente
▪ Así el líquido interno asciende, cuando se encuentra con el líquido del otro cilindro
recupera su densidad aparente y baja
▪ En este sistema se logra homogeneidad mediante la inyección de aire, pero solo en
una de las secciones
▪ Se usa mas que nada para células grandes que sufren estrés mecánico
Erlenmeyer: cultivos chicos, inóculos
Biorreactores: para controlar las variables
Se diferencian en la forma de agitación
Tienen las mismas entradas
12. Cinética de reacción
aA + bB → cC
v= k [A]n
[B]m
• Si se quiere cambiar la cinética de la reacción se puede modificar la concentración de
los reactivos
• En una reacción química se puede modificar el pH, T, pero no se puede hacer el
biológico porque tiene un rango de T y pH óptimo para el crecimiento
• En el cultivo microbiano, las enzimas o coenzimas de las células tienen catalizadores
o El MO es el catalizador (biomasa), si se agrega mas X como inóculo, se puede
generar mas biomasa
• Si se cambia la naturaleza de los reactivos cambia la cinética, también pueden
eliminarse o factores de la ecuación, lo que modifica la ecuación de la velocidad
• Sistema en batch o en lote: no se le agrega o saca nada
• Si se modifican los reactivos, cambian las velocidades
• Se aplica a cada componente de la reacción
• Hay que tener en cuenta el balance de masa:
Medir la variación de densidad dentro de un medio es muy complejo.
Se considera que
▪ La variación del volumen dentro del reactor esta dada por lo que entra menos lo que
sale, si se considera densidad constante.
▪ Lo único que modifica el volumen es si entra o si sale líquido, no por si se generan
células.
▪ La cinética del cultivo depende de como se lo alimenta
13. Velocidad volumétrica de formación o consumo de C
Velocidad específica (de cada célula)
Cinética de formación de X
14. μ: refleja la pendiente de la curva
- Es un parámetro fisiológico que depende de las condiciones de crecimiento (T, pH, [S]
presente)
rx: depende de μ y [X]
- A mayor [X] mayor es la velocidad volumétrica de formación de biomasa
Modelo de Monod
La velocidad específica de crecimiento de la biomasa es igual a la máxima
velocidad que puede crecer en esas condiciones (μmax) por [S] en esas
condiciones por la afinidad del MO por ese sustrato (Ks) mas [S]
El ks aumenta cuando es mas difícil de asimilar μmax es un máximo teórico, depende de
▪ Tipo de MO
▪ Del tiempo de multiplicación
▪ T
▪ Naturaleza de la FCE y FN
▪ pH
+
s
15. Inhibidores
Clasificación
• Tipo
o Sustrato
o Producto
• Mecanismo
o Competitiva: afecta Km
o No competitiva: afecta v
Inhibición competitiva
Sustrato compite por el sitio activo
Lo vuelve menos afín: afecta a Ks
Es mas difícil llegar a la μmax
Hay que aumentar la [S] para ganarle a la inhibición
Se da cuando se usan S complejos, por eso es difícil distinguirla
Inhibición no competitiva
Viene dada por el S o el P
No se llega a la velocidad máxima
Inhibición por sustrato
• Hace referencia al sustrato limitante: es el que esta estequimetricamente mas
comprometido
A mayor Ki: menor efecto de I
La [S] afecta directamente la μ del cultivo
▪ A medida que aumenta la [S] la μ va a ir disminuyendo
al pasar un umbral de [S] → No se puede trabajar a
altas [S]
Para cultivos donde la [S] es inhibitoria, se trabaja con cultivos alimentados
El S va ingresando de a poco para que la [S] dentro del MC sea del orden de Ks
16. Inhibición por producto
• Cuando se pasa el umbral de [P] empieza la inhibición
• Hay que hacer un análisis de cinética para ver a que modelo se ajusta mejor
o Sistema cerrado se va producir inhibición
o Cultivo continuo: se saca parte del MC, se saca el P y así se mantiene el
proceso
Cinética de sustratos
• Implicados en la obtención de energía: S
• No implicados en la obtención de energía: FN, FMg, FFe
Limitado en FCE
- Cuando [FCE] = 0, se termina el crecimiento
o [FN] permanece constante luego de que termina
Limitado en FN
- Una vez que se termina la FN, lo que sobra de FCE se sigue consumiendo por algo mas
allá del crecimiento
Mantenimiento celular: todo el gasto de S que hay en el cultivo vinculado a eventos
externos al crecimiento (recambio de pared, RNA, motilidad, proteínas, mantener pH
intracelular)
El mantenimiento existe siempre, pero su efecto se ve en el limitado por N
A mayor [X], mayor mantenimiento
Mantenimiento celular: cantidad de FCE que se consume
por cmolX no asociado al crecimiento
17. Pirt:
Y’x/s: rendimiento verdadero, que existiría si no hubiera mantenimiento, es teórico
Dividiendo por x:
Consumo de sustrato por célula
Dividiendo por 1/rx
Vincula el rendimiento con la velocidad
especifica de formación de X
Batch: se trabaja con [S] muy altas, 1/ μ se hace prácticamente 0, no se nota tanto el efecto del
mantenimiento.
Análisis de la formación de producto ________________________________________
❖ Crecimiento aeróbico con P
MO gasta energía para generar P, por eso hay
que tenerlo en cuenta
❖ Cultivo anaeróbico
No hay gasto específico de energía para la generación
de P, es parte del metabolismo. P implicado en la
obtención de energía
Análisis de la obtención de energía con el Oxígeno _____________________________
❖ Cultivo aeróbico
o Obtención de E: FCE y O2
❖ Con P no asociado al metabolismo
18. Análisis rp ______________________________________________________________
❖ Crecimiento anaeróbico con P
Ecuación de Lehexin & Piret
Sustratos implicados en la obtención de E ____________________________________
Sistema de cultivo Batch
▪ Cultivo cerrado: no hay entrada ni salida
o Inóculo: ingresa en el t0, luego ya no entra ni sale nada mas → V cte.
dV/dt = F1 – F2 = 0 → V cte
Biomasa: solamente se genera
Sustrato N: solamente se consume
Y’x/s: depende del MO y del medio de cultivo
- Los rendimientos con el mismo FCE son parecidos, independientes del sustrato
limitante
- Los rendimientos cambian cuando cambia la FCE, porque la forma de obtención de
E cambia
ms: depende de las condiciones ambientales (todo lo que implique gasto extra de E)
- Cuando se limita en un compuesto cargado hay un esfuerzo, gasto de E, para
mantener la fuerza iónica, por lo que le ms va a ser mayor
19. Sustrato FCE: solo se consume
Oxígeno:
- Solubilidad del O2 es muy baja → es necesario administrarlo todo el tiempo
- Solo se consume lo que esta en fase líquida
- Se necesita de la transferencia de O2 → burbuja de O2 se tiene que disolver
- OTR: velocidad de transferencia de O2 de la dase gaseosa a la fase líquida
[OTR] = molO2/l.h
- Primero se transfiere y luego se consume
Análisis cinético de X _____________________________________________________
X es lo que se quiere generar
Ecuación del crecimiento microbiano
Únicamente en Batch
Crece de forma exponencial porque la velocidad de crecimiento es constante, porque se
supuso que no entra ni sale nada
- El inóculo tiene que estar en fase exponencial (células metabólicamente activas)
- El MC del inóculo tiene que ser el mismo MC que el ciltivo, sino va a presentar fase de
adaptación
20. Fases de crecimiento
- I - Fase lag / adaptación ---------------------------------------------------------------------------
▪ El cultivo se adapta a las condiciones del medio de cultivo
▪ t0 se siembra el inóculo
▪ no hay crecimiento
▪ Puede haber gasto en mantenimiento
▪ Inóculo tiene que tener la misma composición que el medio final (ventaja para achicar
la fase lag)
o Inóculo: 5 – 10% del volumen final
o Si se quiere llegar al 10% se tienen que hacer cultivos previos, aumentanfo el
volumen del X progresivamente → se acelera la cantidad de células en el
inóculo
o Si se empieza de un inóculo muy chico en un reactor muy grande, hasta que el
inóculo llegue a poblar el reactor va a pasar mucho tiempo, en el cual el cultivo
puede contaminarse
▪ Densidad óptica: 600 nm, se mide el crecimiento del MO
- II - Fase exponencial ---------------------------------------------------------------------------------
▪ Batch: es donde se hacen todas las cuentas
▪ MO ya está adaptado y comienza a crecer de manera exponencial
▪ El S limitante esta en exceso → cultivo crece a μmax (modelo de Monod)
▪ Cuando los cultivos crecen a μmax puede generarse un cuello de botella y detener el
metabolismo, por eso puede generarse productos para gastar los intermediarios
▪ Si se genera producto se produce menos de biomasa → estrategia: se hace crecer mas
lento al MO
▪ Es difícil controlar la μ del crecimiento
- III - Fase de desaceleración -------------------------------------------------------------------------
▪ [S] cercana a Ks, [S] tiende a 0
▪ No crece a μmax
21. ▪ Indica que el cultivo termino, dura un par de minutos
- VI - Fase estacionaria ---------------------------------------------------------------------------------
▪ [S] ya es limitante
▪ No hay mas crecimiento
▪ Hay mantenimiento celular
▪ Se pueden generar productos
- V - Fase de muerte ---------------------------------------------------------------------------------
▪ No se cumplen los modelos vistos
▪ Las células vivas usan a las células muertas para sobrevivir → metabolismo endógeno
Sustratos no asociados a la obtención de E
Nitrógeno
22. Sustratos asociados a la obtención de E
FCE
Consumo de oxígeno
▪ CL: oxígeno disuelto
o la cantidad de oxígeno disuelto que soporta el líquido es muy poca
Modelo de la película
Adyacente a la fase gaseosa existe una película estanca que resiste toda la transferencia de
materia.
Como la película es estanca, la única fuerza que impulsa que se produzca la transferencia es la
difusión.
Lo máximo que se puede transferir a la fase líquida es su solubilidad
A mas ancho el espesor de la película, mas difícil va a ser la transferencia
Modelo de la película: explica la transferencia de O2
- El paso que hace mas lenta la transferencia es la película que se forma entre el
ordenamiento de la moléculas
23. Ley de Henry: C* = H.Pp
Ley de Dalton: Pp = PT. X
Ley de Fick: Na = -D . dC/dX
NO2 = -DO2 . dC/dX → NO2 = -DO2 (C* - CL) /L
A = área de burbuja / volumen total del líquido
a. NO2 = -DO2 (C* - CL). a /L
A/V NO2 = -DO2/L . A/L (C* - CL)
OTR = KLa (C* - CL)
KLa: capacidad del reactor de transferir oxígeno, coeficiente volumétrico de transferencia
▪ Agitación: genera burbujas de mayor o menor tamaño
o Aumenta el tiempo de residencia de la burbuja dentro del líquido
▪ Mejorar el KLa: aumentar la agitación para generar burbujas mas pequeñas → mayor
disolución del oxígeno
Dependencias del KLa
• Geometría del agitador
o Paletas: cantidad, posición, tamaño, tipo
o Baffles
• Velocidad de agitación: cuando se agita cambia la relación A/V
o KL a: Do2/l A/V
• Velocidad de aireación: flujo de entrada de aire
o Si el aire entra a mayor velocidad, mayor fuerza, hay un mayor contenido de
aire dentro del sistema, hay mayor presión total, aumenta la relación gas /
líquido, baja la densidad aparente (baja el termino L)
• Presencia de tensioactivo: agente que modifica la tensión superficial
o Hidrolizados de proteínas tienen tensioactivos, generan espuma
o Puede aparecer tensioactivos cuando se rompen las células (presencia de
lípidos)
o Cuando hay tensioactivos, las burbujas son mas chicas, mejora la relación A/V
o Pero negativamente, cambia la composición del medio, se modifica F
(disminuye KL)
o Dependiendo de la concentración del tensioactivo se analiza el efecto en el KLa
y se ve si conviene usarlo o no.
o Si se usa tensioactivo hay que usar antiespumante → desenstabiliza a las
burbujas, se forman burbujas mas grandes, desfavorece A/V y ademas el
medio se vuelve mas viscoso
o Antiespumante: doble efecto negativo, pero facilita la parte mecánica porque
no genera espuma
24. Cinética de consumo de Oxígeno
Ccritico: concentración mínima de oxígeno en el cultivo a partir de la cual ya no se cumple que
[O2]>>> KO2
La célula puede censar la [O2] disponible, cuando se da cuenta que hay poco realiza cambios en
el metabolismo, se comporta de forma fisiológica diferente.
Se quiere trabajar por encima del CC CL >> CC
CL y CC se expresan como porcentaje del C*
C* depende del MO y un poquito del medio de cultivo
Consumo de oxígeno en Batch
Balance en fase líquida:
25. A mayor X, menor CL, el gradiente aumenta (C*- CL) → OTR aumenta (vel transferencia) →
aumenta la velocidad de consumo
❖ Sistema de demanda espontánea: el sistema transfiere lo que la célula requiere
❖ El reactor da hasta que llega a su máximo de transferencia
❖ Los valores de demanda (rO2) como los de transferencia (OTR) van de la mano en un
cultivo normal
❖ Si el cultivo demanda mas de lo que el sistema puede transferir va a estar por debajo
del CC → las células van a consumir todo el O2 disuelto → se trabaja en zonas donde la
CL es menor que CC → aparecen problemas fisiológicos
Limitación por oxígeno: cuando se trabaja en zonas con CL < CC
- El cultivo pretende mas oxígeno del que el reactor puede transferir
Cultivo limitado en Oxígeno
26. - Limitación: cultivo tiene mayor requerimiento del que puede dar el reactor
- En todos los tiempos: rO2 = OTR
- Por mas de que haya mas células crece mas lento porque se queda sin sus
pretensiones de oxígeno
- Célula resigna velocidad específica de crecimiento
Fermentador sin X: OTR = 0, CL = C* (No hay motivo para salir del líquido, alcanza su
solubilidad)
-
Cuanto mas grande sea la diferencia entre CL y C* mayor va a ser la velocidad de transferencia
CL = 0 todo el oxígeno se consume
Cultivo limitado en O2:
ORT cte y max
ro2 cte
- AL suministrar O2 de forma constante permite mantener el crecimiento, pero va a
crecer a una velocidad menor
- El crecimiento esta limitado por el coeficiente estequimetrico (FCE, F, otro nutriente)
A tener en cuenta:
C*= 7,5 mgO2/l → 2,34.10-4
molO2/l solubilidad del O2 en H2O y 30ºC
27. → Para un cultivo no limitado en O2: CL>Cc
Si se quiere diseñar un cultivo para que no se limite en oxígeno, en el punto final CL >= Cc
Por lo general se asume CL= 10-15% Cc
→ Para un cultivo limitado:
Balance de O2 en fase gaseosa
Balance de CO2 en fase gaseosa
- F y V tienen que estar en las mismas unidades
- F/V = VVM
- CR: cociente respiratorio
o CR aprox 1: aerobio estricto
o CR > 1: metabolismo de sobreflujo (aerobio y anaerobio al mismo tiempo)
❖ Si la FCE es el limitante, cuando se termina no hay mas crecimiento ni fase
estacionaria
❖ qO2: velocidad específica de consumo de oxígeno
❖ rO2: velocidad volumétrica de consumo de oxígeno
❖ b: rendimiento de O2 en base a FCE
❖ ΔO2: oxígeno total consumido
Calculo de cantidad de O2 consumido
Etapa lineal:
Etapa exponencial:
28. Inhibición y Batch
Inhibición competitiva ________________________________________________________
Monod:
Con inhibidor:
En batch [S]>>> Ks, no se llega a ver el efecto de la inhibición
Inhibición no competitiva ______________________________________________________
Con inhibidor:
Al aumentar la [I], a aumenta, μmax queda dividida cada vez por un termino mas grande, μ es
cada vez menor
Se hacen n cantidad de cultivos con [I] variable, se puede encontrar el Ki
[I]=0 μ0 = μmax
[I]=1 μ1 = μmax /a → μmax /(1+1/ki)
[I]=2 μ2 = μmax /(1+2/Ki)
[I]=n μn = μmax /(1+In/Ki)
μn = μmax – μn [I]n/Ki
❖ Si se ve algún tipo de inhibición en el batch es no competitiva
❖ Si no se ve inhibición puede ser competitiva o no haber inhibición
❖ Ki es la afinidad del inhibidor, dice cual es el umbral de inhibición viendo la minima
velocidad a la que se puede llegar
Inhibición por sustrato ________________________________________________________
Con inhibidor:
No hay crecimiento en batch (μ = 0), porque el S lo inhibe
No se puede usar el sistema batch
29. Inhibición por producto _______________________________________________________
Con inhibidor:
Si P es igual a 1/Kp → 1-KpP se hace 0 → no hay crecimiento. Al cruzar ese umbral el
crecimiento se detiene
Ej: MO tiene como producto alcohol, deja de crecer después de cierta [P]
En batch el P se acumula, por eso se puede realizar un cultivo continuo, donde se va sacando
MC con producto.
Este efecto en la curva puede confundirse con otros sustratos limitantes, como si fuera
limitado por N
Si se sospecha que se acabo cierto componente, se le agrega MC fresco y si vuelve a crecer es
porque estaba limitado.
Si se sospecha que es inhibición por producto se agrega agua estéril, el producto se diluye y
debería volver a crecer.
Cultivo diáuxico
❖ Cuando hay dos o mas FC en un medio de cultivo
❖ El MO solo puede consumir una a la vez
❖ El primero en consumirse es el mas fácilmente asimilable
- Las μ no son necesariamente iguales
- Monosacárido (+ fácil), disacárido, polisacárido (+ complejo)
- En caso de 2 monosacáridos, se consume primero el mas favorable energéticamente
- No hay fase lag
30. Cultivo Continuo
Comienza con un cultivo batch y cuando se termina se agrega MC fresco
- Ingresa medio de cultivo completo: sustrato limitante y otros componentes
o [S] limitante es del orden de Ks
I. Batch: generar X
II. Transición: las células notan que se acabo el S y dejan de crecer, cuando notan el
ingreso de S de nuevo se vuelven a activar
III. Estado estacionario: componentes del MC permanecen constantes, es el cultivo
continuo
Cultivo continuo: cultivo restricto, se pone la condición de velocidad a la que se quiere que
crezca μ < μmax S del orden de Ks
- Supone mezclado perfecto (sistema homogéneo)
Funciones del CC
- determinar parámetros fisiológicos
- analizar que sucede con distintas limitaciones
- Determinar ms, y’x/s
- Analizar inhibición por producto
Balance en fase líquida ________________________________________________________
Biomasa
31. X es cte porque se define un estado estacionario, crece a una determinada velocidad porque
se determina operativamente
μ = D permite hacer estudios fisiológicos
- Cada condición tiene sus parámetros constantes en CC
Nitrógeno
En CC no se quiere llegar a mas μmax
❖ Si D aumenta → aumenta μ → aumenta X
❖ Cuando NR = N → X tiende a 0 → se aumento tanto el F que las células no llegaron a
dividirse, cuando se llega a μmax el cultivo se lavó completamente → dentro del
reactor solo queda medio fresco
➢ CC → se fuerza al MO a crecer a una determinada velocidad, que se dirige mediante el
F
MO tiene la capacidad de censar cual es el sustrato limitante
- Batch: el limitante es el que se acaba primero
- CC: el limitante es el que esta estequiometricamente en defecto y dirige el crecimiento
33. Características CC ____________________________________________________________
- Velocidades chicas
- Se alimenta todo el tiempo
- Análisis de estado estacionario
Estado estacionario
Como saber cuando se esta en estado estacionario:
• X, S, N cte → todas las [] dentro del reactor deben ser constantes
o Se tienen que hacer mediciones
▪ X se mide el Do
▪ S por reacciones químicas (colorimetría o enzimáticas)
▪ N por reacciones químicas
• r cte → se calcula en función de las []
• CL cte
o Se utiliza para no tener que medir X, S, N
o CL se mide mediante electrodos dentro del reactor
• 4 tR → tR: tiempo de retención
o Es el tiempo necesario para que se renueve 1 volumen dentro del reactor
o 4 tR: tiempo necesario para considerar que se paso de D1 a D2, se asegura
estar en estado estacionario
Aplicaciones del cultivo continuo ______________________________________________
Determinación de Ks y μmax
MO crecen según Monod:
Se hace un CC a distintos valores de D, y se mira la [S] en los estados estacionarios
34. Determinación de los parámetros de Pirt
Se hace CC con un barrido de D y se mide X y S en el estado estacionario para calcular yx/s para
cada D
D son los valores de dilución establecidos por el operador
Determinación de μmax
- No todos los MO crecen según Monod
- Puede aparentar que están creciendo, pero lo que hacen es aumentar de peso por la
acumulación de producto
Se plantea un cultivo continuo a un valor de D1 < μmax y D2 > μmax
Durante el estado estacionario μ tiende a D, en el estado estacionario μ = D
35. Inhibición
Competitiva ________________________________________________________________
- Se puede determinar los parámetros de inhibición (KI) en CC porque las [S] son del
orden de Ks
- Se plantea CC a un SR y un D, lo que varía es la [I], no la D
- Al cambias la [I] se sale del estado estacionario, por lo que hay que esperar 4tR para
volver a estarlo y tomar muestras
No competitiva ____________________________________________________________
Hace que el cultivo se lave mas rápido
Dcrítico con inhibidor es menor que sin inhibidor
36. Cultivo continuo perfundido
- Variantes del CC
- Se utiliza para células que le cuesta mucho crecer
- Lo que sale del reactor se filtra y las células vuelven a ingresar
- Permite trabajar en CC con celular de bajas velocidades de crecimiento o inhibición
- La biomasa ya no es constante, sino que se acumula
Biomasa
Sustrato
37. Batch Alimentado
❖ Combina CC con Batch
o Desventaja del CC
▪ Operativamente complejo
▪ μ muy bajas → cultivo puede contaminarse
▪ muy largo y engorroso por los 4tR
o Ventaja CC
▪ Obtención de datos fisiológicos
▪ Se puede manejar la velocidad de crecimiento
▪ Se realiza en volúmenes chicos
o Desventaja Batch
▪ Limitación por oxígeno
▪ Inhibiciones
o Ventaja Batch
▪ Crecimiento a μmax → difícil que se contamine
❖ BA: comienza con un Batch, cuando se agota el sustrato limitante se agrega cultivo
fresco
❖ No hay salida de MC → aumento del volumen
❖ Permite trabajar con grandes volúmenes
❖ Se alimenta de manera restringida → no crece a μmax → μ se puede manejar con el F
de alimentación
❖ Sustrato limitante: el que esta estequiometricamente en defecto en el reservorio
❖ BA limitando por el volumen del fermentador
Si las células no están activas metabólicamente cuando se agregue el S, va a haber una primera
parte que no se comporte como BA
Lo que se busca es que el batch termine, se deja unos minutos y luego se comienza a
alimentar.
Experimentalmente se ve que el batch termina cuando el CL aumenta
No llega a ser C*, porque el mantenimiento consume oxígeno, aunque no haya S
(puede haber metabolismo endógeno, consumiendo resto de células muertas)
- Se mide los gases a la salida en composición porcentual
o Al inicio: %CO2 = 0 %O2 = 21 si se alimenta con oxígeno
o Durante el cultivo: %O2 disminuye porque se va consumiendo
o Al terminar: %CO2 disminuye cercano a 0 %O2 aumenta cercano a 21
38. ➢ Cuando se comienza a alimentar puede hacerse de distintas maneras
o Según el flujo
▪ Constante
▪ Variable
o Según el S limitante
▪ SR NR constantes
▪ SR NR variables → prácticamente no se usa porque el equipo es muy
costoso, podría hacerse a escalas chicas
Batch Alimentado:
BA: F cte limitado FN
Biomasa
Nitrógeno
Sustrato
39.
40. Consumo de oxígeno _______________________________________________________
BA: F cte limitado FCE
Vrx disminuye por el mantenimiento, el S que entra va a estar destinado a mantener toda la x
generada
Se busca diseñar el cultivo para no llegar a ese punto
✓ Para que Vrx no baje hay que aumentar el flujo
BA limitado FN: puede limitarse en FCE
BA limitado FCE: no se limita en N, se acumula
41. Biomasa
- A tiempos muy grandes e → 0
- Cuando se hace BA limitado en FCE hay que verificar X, porque se ve muy afectado por
el mantenimiento
- Cuando se hace BA limitado en FN hay que verificar S para que no se limite en FCE
Calculo de rendimientos _____________________________________________________
Batch:
CC:
BA: rendimiento global (porque para cada volumen hay un rendimiento diferente)
42. Diseño del cultivo BA
• Objetivo: establecer XV al que se quiere llegar
• Se establecen parámetros a diseñar
o F
o SR
o NR
• Saber si va a ser
o Lineal o exponencial
o Limitado en FCE o FN
• Datos tecnológicos:
o V0
o Vf
o KLa
• Datos fisiológicos
o μmax
o Yx/s → relación del MO con el medio de cultivo
o B
o Y´x/s
o Si hay inhibidor o no
o Datos relacionados con el MO
• Batch inicia en un reactor tipo tanque agitado
• No quiero que se limite en oxígeno
1. Diseñar el batch, en función del KLa
No esta bueno trabajar a rpm máxima porque el fermentador se desgasta, si el
máximo es 1300 rpm trabajar a 1000 y calcular el KLa a ese valor
Cuando se conoce el volumen de batch y todas sus características se comienza con el
diseño del BA
2. Diseñar el BA calculando la concentración de los sustratos en el reservorio
Cultivo limitado FN
Cultivo limitado FCE
