Biofilm: Formación y Características

El biofilm es un proceso complejo que involucra varias etapas:

  • Acondicionamiento del medio soporte: Adsorción de moléculas orgánicas.
  • Transporte de microorganismos: Desde el seno del agua hasta el medio soporte.
  • Adsorción permanente: Parte de los microorganismos quedan adsorbidos permanentemente.
  • Crecimiento bacteriano: Las bacterias crecen a expensas del sustrato.
  • Producción de EPS: Crecimiento del biofilm y producción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) de origen microbiano.
  • Adhesión celular: Las EPS facilitan la adhesión de nuevas células y material particulado al biofilm.
  • Desprendimiento: Separación de parte o porciones del biofilm (sloughing off) por procesos físicos.

Elección del Tipo de Impulsor

La selección del impulsor adecuado es crucial para la eficiencia del proceso:

  • Características geométricas: Definición de las dimensiones del impulsor.
  • Diseño de bafles: Designar la longitud de las contra paletas o bafles para evitar el fenómeno de vórtice.
  • Potencia absorbida: Establecer la potencia absorbida por el líquido.
  • Tipo de fluido: Determinar si son sistemas con fluidos Newtonianos no aireados o fluidos Newtonianos aireados.

Rol del Oxígeno (O2) en la Fermentación

El oxígeno juega un papel fundamental en el metabolismo microbiano:

  • Aceptor final de electrones: Receptor final de electrones y de los protones producidos en las reacciones de oxidación.
  • Regulación enzimática: Inductor o represor de la síntesis de enzimas respiratorias (forma directa).
  • Metabolismo energético: Influencia indirecta en el metabolismo energético.
  • Demanda de O2: La demanda de O2 depende del crecimiento del microorganismo y la producción de metabolitos.

Resistencia a la Transferencia de Oxígeno

La transferencia de O2 enfrenta varias resistencias:

  • Resistencia dentro de la película de gas a la interfase.
  • 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.

El parámetro crítico para el funcionamiento del reactor es (NA). Depende de:

  • Biorreactor: Diámetro, capacidad, potencia, sistema de aireación y velocidad de aireación.
  • Solución: Nutrientes, microorganismos, agentes antiespumantes y la temperatura.

Consideraciones adicionales:

  • Las sustancias antiespumantes reducen el valor de KLa.
  • Los microorganismos tienen un efecto sobre la transferencia actuando como barreras.
  • El valor de KLa desciende a medida que aumenta el tamaño de los pellets.
  • En ausencia de microorganismos la transferencia de O2 se detiene, entonces el medio está saturado.

Control de Temperatura y pH

Temperatura

Las fermentaciones deben ser llevadas a cabo:

  • En un margen estrecho de temperatura o constante.
  • Debido a la agitación y la actividad metabólica, se debe recurrir a sistemas de refrigeración (camisas de agua).

pH

  • Los metabolitos celulares son liberados al medio, lo que puede originar un cambio del pH del medio de cultivo.
  • Se debe controlar el pH del medio de cultivo y añadir un ácido o una base para mantener constante el pH.

Efectos de la Agitación

En la agitación se producen los siguientes efectos:

  • Dispersión del aire y de los líquidos no miscibles.
  • Homogeneización (temperatura y concentración de nutrientes).
  • Mezcla de suspensión celular y nutrientes sólidos.

Tipos de Agitadores

  • Agitadores de flujo radial: Los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Tipo Turbina.
  • Agitadores de flujo axial: Los que generan corrientes paralelas al eje del agitador. (agitadores de flujo axial). Tipo Hélice.

Tipos de Fermentación

Según el Proceso

  • Cultivo tipo discontinuo (batch).
  • Cultivo tipo Lote alimentado (fed-batch) o semi – continuo.
  • Cultivo tipo continuo.

Según la Forma

  • Fermentación con cultivos puros.
  • Fermentaciones con cultivos mixtos.

Según la Constitución

  • Fermentación con cultivos sumergidos.
  • Fermentaciones con cultivos de sustrato sólidos.

Tipos de Medios de Cultivo

  • Comunes o generales: para el cultivo de un amplio rango de bacterias (u hongos). Pueden ser sólidos o líquidos, para aislamiento no selectivo o mantenimiento, etc.
  • Especiales:
    • Enriquecidos: medios adicionados de sangre, suero, yema de huevo, etc. para cultivar microorganismos nutricionalmente exigentes.
    • Selectivos:
      • Para enriquecimiento: medios líquidos, permiten el crecimiento de varios microorganismos de una muestra, pero favorecen a alguno que está en muy baja proporción.
      • Para aislamiento: medios sólidos que contienen algún componente que favorece el desarrollo de un grupo, inhibiendo a otro.
    • Diferenciales: contienen algún componente que permite distinguir entre 2 o más tipos de microorganismos por características diferenciales de crecimiento (ej. Color de la colonia).

Diseño Experimental: Plackett – Burman

Ventajas

  • Se pueden utilizar concentraciones cercanas al óptimo.
  • Necesita poco personal, tiempo y trabajo.
  • Se hacen tantos experimentos como factores tenga.
  • Se descartan los sustratos inútiles.

Desventajas

  • No es un método sencillo.
  • Necesita personal entrenado.
  • No se pueden utilizar diferentes concentraciones.

Reactores Específicos

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.
  • Tratamiento de aguas residuales.

Reactor de 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 apto para procesos productores de gas.

Usos

  • Producción de aspartato y fumarato.
  • Conversión de penicilina a 6 – aminopenicilánico.
  • Resolución de isómeros de aminoácidos.

Reactor de Biopelícula

  • Asociación de microorganismos adheridos a una superficie.
  • En condiciones naturales los microorganismos tienden a formar biofilms espontáneamente.
  • El desarrollo de los microorganismos trae como consecuencia una estratificación fisiológica del biofilm.