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

  1. Acondicionamiento del medio soporte por adsorción de moléculas orgánicas
  2. Transporte de microorganismos desde el seno del agua hasta el medio soporte
  3. Parte de los microorganismos quedan adsorbidos permanentemente
  4. Estas bacterias crecen a expensas del sustrato
  5. Se produce un crecimiento del biofilm y una producción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) de origen microbiano
  6. Estas EPS facilitan la adhesión de nuevas células y material particulado al biofilm
  7. 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

  1. De lecho empacado: sustrato estático, sobre base perforada, columna alta y cilíndrica.
  2. De tambor rotatorio: cilíndrico horizontal o inclinado, rotación por eje central, bufles, aireación a baja presión.
  3. Agitados,
  4. Lecho fluidizado sólido aireado.

LA TRANSFERENCIA DE O2 OFRECE RESISTENCIA

  1. Resistencia dentro de la película de gas a la interfase.
  2. La penetración de la interfase entre la burbuja de gas y el líquido.
  3. Transferencia entre la interfase al líquido.
  4. Movimientos dentro de la solución de nutrientes.
  5. Transferencia a la superficie de la célula.