Sistemas de cultivo celular: Lote, Lote alimentado y Continuo. Características. Ecuaciones. Aplicaciones.

1. Itaietzi Olivar Pineda Biotecnología de Cultivos Celulares 31 de marzo de 2014
Sistemas de Cultivo (Lote, Lote Alimentado y Continuo)
Lote Lote Alimentado Continuo
Definición
Consiste en agregar al fermentador un
medio de cultivo que contiene los nutrientes
necesarios para el crecimiento del
microorganismo y/o para la producción de
un metabolito. A lo largo de toda la
fermentación no se añade nada, excepto
oxígeno (en forma de aire), un agente
antiespumante y ácidos o bases para
controlar el pH
Es un modo de operación donde uno a más
(en algunos casos todos) nutrientes son
adicionados al reactor durante el cultivo, la
alimentación puede ser función del tiempo,
pero el medio que contiene los metabolitos
es retirado una vez finalizada cada corrida
(no hay salida continua).
En este sistema hay una entrada y salida de
materiales: suministro continuo de nutrientes
y salida continua de biomasa.
Operativamente el flujo de entrada es igual
al flujo de salida, por lo que el volumen de
operación del biorreactor permanece
constante durante todo el cultivo.
Uso
La gran mayoría de las fermentaciones a nivel
industrial se llevan a cabo en cultivo por lote.
Por ejemplo, se emplea para la obtención de
ácido cítrico, fermentación láctica,
fermentación giberelínica, etc.
Pueden emplearse para fermentaciones con
cepas sobreproductoras sujetas a auxotrofia.
Se emplea cuando se quieren evitar
fenómenos de inhibición por sustrato y se
requiere alcanzar una alta concentración de
biomasa.
Caracterización cinética de la producción de
metabolitos empleando un microorganismo, en
un determinado medio de cultivo y en
determinadas condiciones de cultivo.
Importante en los estudios de fisiología y de
ecología microbiana.
Características
Puede ser considerada como un "sistema
cerrado".
No hay entrada ni salida de nutrientes.
Al inicio de la operación se añade el medio de
cultivo y se inocula, incubando bajo las
óptimas condiciones.
La composición del medio de cultivo, la
concentración de la biomasa y de metabolitos
cambia generalmente como resultado del
metabolismo de las células.
Se observan las cuatro fases típicas de
crecimiento.
Se cosecha el medio agotado para recuperar
el producto.
Todos los parámetros cinéticos varían con el
tiempo de fermentación.
Ofrece menos sensibilidad que los otros.
La duración del cultivo batch es, por
supuesto, también limitada en el tiempo y
depende esencialmente de las condiciones
iniciales del cultivo.
Una vez inoculado el medio, la concentración
de biomasa aumenta a expensas de los
nutrientes y cuando el sustrato que limita el
crecimiento se agota, finaliza el batch.
Se considera como un “sistema semi-
cerrado”.
Operativamente inician con un cultivo por lote
y al finalizar éste, se inicia la alimentación de
nutrientes al biorreactor.
Se puede controlar, voluntariamente, la
velocidad y concentración de la alimentación.
Por la forma de suministro de los nutrientes
pueden clasificarse en cultivos con
alimentación a flujo variable o flujo constante.
Elimina problemas de represión de la síntesis
de producto por glucosa y problemas de
limitación del crecimiento celular por exceso
de sustrato.
La fuente de carbono y/o precursores son
alimentados a velocidades controladas, para
mantener una alta actividad de síntesis y a
los microorganismos.
La velocidad de muerte celular es
despreciable comparada con la de
crecimiento.
Tiene duración limitada en el tiempo ya que el
volumen no puede incrementarse más allá del
volumen útil que posee el biorreactor.
El cultivo continuo simple etapa pertenece al
grupo denominado “Sistemas Fermentativos
Abiertos”.
Lo rige la Teoría del Quimiostato.
Puede controlarse y mantenerse aquella
velocidad específica de crecimiento donde el
microorganismo produzca la mayor cantidad
de metabolito que se desea obtener.
El caudal de salida contendrá células,
mientras que la concentración de nutrientes
será menor que en el caudal de entrada
debido a que en parte fueron consumidos por
los microorganismos.
El valor de D corresponde a las veces que se
renueva el volumen del biorreactor por unidad
de tiempo.
Se pueden producir grandes cantidades de
producto.
Incremento de la productividad
Hay peligro de contaminación
Hay peligro de pérdida de estabilidad de la
cepa, sobretodo en recombinantes

2. Itaietzi Olivar Pineda Biotecnología de Cultivos Celulares 31 de marzo de 2014
Ecuaciones
de Balance
Para un componente cualquiera del cultivo, incluida la biomasa, se puede plantear el siguiente balance de materia en el biorreactor:
donde V es el volumen de cultivo, F1 es caudal de alimentación, F2 el de salida, Ci1 la concentración del componente "i" en la alimentación y
Ci la concentración en el caudal de salida (si el cultivo está bien mezclado se puede asumir idéntica a la que hay dentro del biorreactor), , rfi
y rci se refieren a la velocidad de formación y consumo del componente "i" respectivamente.
El volumen del cultivo variará en el tiempo según sean F1 y F2:
Los caudales son nulos por lo que V es
constante.
Los balances para P, S y X son:
Suponiendo el modelo de Monod y S˃˃Ks:
→
→
Por lo tanto:
o
→
Rendimiento:
Los balances para P, S y X son:
Concentración de S:
Concentración de biomasa:
→
Variación del volumen con el tiempo:
Valor de velocidad de crecimiento:
→
Los flujos son iguales por lo que V es
constante.
Los balances para P, S y X son:
Factor de dilución:
Concentración de S en edo. Estacionario:
; ;
Concentración de X en edo. Estacionario:
;
Velocidad de dilución crítica:
Formación de P en edo. Estacionario:
o
Parámetros cinéticos:

3. Itaietzi Olivar Pineda Biotecnología de Cultivos Celulares 31 de marzo de 2014
Comportamient
o
Cinético

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Referencias
Massaguer, Héctor. “Cultivos discontinuos o Batch”. Fermentaciones Industriales. Artículo de blog electrónico.
Iánes Pareja, Enrique (2005).“Ciclo celular y crecimiento”. Universidad de Granada. Licenciatura de biología. Plataforma en línea. España.