Cinética Microbiana y Diseño de Biorreactores
CONSTRUCCIÓN DE ESTEQUIOMÉTRICAS
SEMIREACCIONES DE OXIDACIÓN
- Reacciones del donador de electrones (Rd).
- Reacciones del aceptor de electrones (Ra)
- Reacción para la célula bacteriana (Rc).
La reacción total: R = Rd – feRa – fs Rc
- fe = fracción del donador de electrones empleado para energía.
- fs = fracción del donador de electrones empleado para síntesis.
- fe + fs = 1
- fs = ae(1-fd.b.ts/1+b.ts)
- fd = fracción biodegradable de microorganismos
- b = tasa de muerte (d-1)
- ts = tiempo de retención (d)
- ae= coeficiente de rendimiento celular
- rs: velocidad volumétrica de consumo de sustrato (rs=-Ds/dt)
- rx: velocidad volumétrica de crecimiento microbiano (rx=dX/dt)
- rp: velocidad volumétrica de formación de producto (rp=dP/dt)
- Velocidad específica de consumo de sustrato: (qs=-Ds/Xdt)
- Velocidad específica de formación de producto: (qp=dP/Xdt)
- Velocidad específica de crecimiento: (u=dX/Xdt)
- m se puede expresar también como: (u=dlnX/dt).
- Tiempo de duplicación: (td=ln2/u)
- Grado de duplicación: X/X0=2n
- Ecuación de Monod: u=um.S/S+Ks
- um: es la velocidad específica de crecimiento máxima.
- Km: constante de saturación, también llamada constante del modelo de Monod
- Si S = Ks entonces u = um/2
- Si S >> Ks entonces u= um (u constante)
MÉTODOS DE OPTIMIZACIÓN
M. UNIDIRECCIONAL
VENTAJAS
- Sencillo.
- No necesita personal entrenado.
- Se pueden usar diferentes concentraciones.
DESVENTAJAS
- Necesita mucho personal
- Se requiere mucho tiempo
- Es muy laborioso
- Concentraciones alejadas del óptimo
- Los ensayos no consideran factores o variables externas.
PLACKETT-BURMAN O DISEÑO FACTORIAL FRACCIONADO
VENTAJAS
- Se pueden utilizar concentraciones cercanas al óptimo
- Necesita poco personal, tiempo y trabajo.
- Se hacen tantos experimentos como factores tenga.
- Se descarta los sustratos inútiles.
DESVENTAJAS
- No es un método sencillo
- Necesita personal entrenado
- No se pueden utilizar diferentes concentraciones
ESCALAMIENTO (Método indirecto de pendiente ascendente)
- Determinación de los valores del centro del experimento para las variables significativas.
- Determinación del radio del diseño para cada variable significativa.
- Cálculo de los incrementos de las variables.
- Cálculo de los pasos ascendentes y del diseño de los nuevos experimentos con las tres variables con efecto significativo.
OPTIMIZACIÓN FINAL (Diseño de Box-Behnken)
- Se emplean tres variables obtenidas en el escalamiento con concentraciones BAJA, INTERMEDIA y ALTA.
- Se realizan 15 experimentos.
- Se pueden determinar rendimientos predictivos mínimos y máximos.
MÉTODOS PARA CUANTIFICAR
- Recuento directo de células en celda (Petroff-Hausser o Newbauer)
- Recuento de colonias crecidas en placa
- NMP
- Medida de peso seco X gravimetría
- Nefelometría
- Turbidimetría
- Correlación entre microorganismos y el nivel de un componente celular (nitrógeno, proteína, ADN, ATP, etc.)
- Correlación entre microorganismos y una actividad metabólica (consumo de sustrato, formación de producto, emisión de luz, etc.)
NEFELOMETRÍA: mide la dispersión de la luz a través de una suspensión de partículas sólidas.
TURBIDIMETRÍA: mide la reducción de la transmisión de luz debido a partículas de una suspensión y cuantifica la luz residual transmitida (Escala de MacFarland, Espectrofotómetro)
TIPOS DE BIORREACTORES
COLUMNAS DE BURBUJEO
- Estructura sencilla.
- Agitación por inyección de aire.
- Bajo shear (stress).
- Adecuado rendimiento de transferencia de materia y calor.
- Bajo costo.
- Usos: Producción de levaduras de panificación, cerveza, vinagre, tratamiento de aguas residuales
LOOP “AIR LIFT”
- Estructura sencilla.
- Agitación por inyección de aire.
- Separación física de las corrientes ascendentes y descendentes.
- Usos: Cultivo de células animales, vegetales, procesos con catalizadores inmovilizados, producción de proteínas unicelulares a partir de metanol y tratamiento de aguas residuales.
LECHO EMPACADO
- Las partículas deben ser incompresibles.
- El medio de recirculado debe ser límpido.
- La aireación no debe realizarse en el lecho empaquetado (columna).
- No apta para procesos productores de gas.
- Usos:
- Producción de aspartato y fumarato.
- Conversión de penicilina a 6-aminopenicilánico.
- Resolución de isómeros de aminoácidos.
DE BIOPELÍCULA
El contaminante es obligado a atravesar una capa de material húmedo donde se ha desarrollado una biopelícula (biofilm) de microorganismos sobre una superficie.
FORMACIÓN DE UN BIOFILM
- Acondicionamiento del medio soporte por adsorción de moléculas orgánicas
- Transporte de microorganismos desde el seno del agua hasta el medio soporte
- Parte de los microorganismos quedan adsorbidos permanentemente
- Estas bacterias crecen a expensas del sustrato
- Se produce un crecimiento del biofilm y una producción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) de origen microbiano
- Estas EPS facilitan la adhesión de nuevas células y material particulado al biofilm
- Separación de parte o porciones del biofilm (sloughing off) por procesos físicos.
COMPOSICIÓN DE UN BIOFILM
- Microorganismos adheridos a un material soporte
- Matriz de exopolímeros orgánicos de origen microbiano
- Materias en suspensión inorgánicas adheridas.
FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO (FSS)
VENTAJAS DE LA FSS
- El medio de cultivo es simple.
- La limitación de agua puede llegar a seleccionar contaminantes.
- Emplea reactores pequeños por la concentración de los sustratos.
- La facilidad en la inyección de aire.
- Puede inocularse esporas de hongos.
- Procesos de “Downstream” son simplificados o minimizados.
DESVENTAJAS DE LA FSS
- Alta variedad de productos finales.
- Producción impredecible.
- Difícil el monitoreo y control.
- Difícil de describir los modelos matemáticos para su cinética.
- Necesita mucha energía.
- Puede producir micotoxinas.
TIPOS DE BIORREACTORES DE FSS
- De lecho empacado: sustrato estático, sobre base perforada, columna alta y cilíndrica.
- De tambor rotatorio: cilíndrico horizontal o inclinado, rotación por eje central, bufles, aireación a baja presión.
- Agitados,
- Lecho fluidizado sólido aireado.
LA TRANSFERENCIA DE O2 OFRECE RESISTENCIA
- Resistencia dentro de la película de gas a la interfase.
- La penetración de la interfase entre la burbuja de gas y el líquido.
- Transferencia entre la interfase al líquido.
- Movimientos dentro de la solución de nutrientes.
- Transferencia a la superficie de la célula.