Programa de Estudios Nombre de la Materia:

Programa de Estudios
Contenido usado para el curso 09-O
Nombre de la Materia:
Microbiología Industrial
Grado para el cual se imparte:
Licenciatura: Ingeniería Bioquímica Industrial
Trimestre: IX
Clave: 233235
Créditos: 12
Número de horas teóricas y prácticas por semana de que consta el curso:
Teoría:
4
Práctica:
3
OBJETIVO DEL CURSO:
El estudiante será capaz de determinar los factores nutricionales y ambientales para el
diseño de procesos de cultivo de microorganismos en régimen por lote y continuo.
Al finalizar el curso el estudiante deberá conocer.
 Cual es el interés del cultivo de células, (incluyendo bacterias, hongos, células vegetales
y animales)
 Como se lleva a cabo el crecimiento celular y como se mide.
 Cuales son los requisitos del medio de cultivo para lograr el crecimiento y la producción
deseados.
 Como se plantean los balances de masa y energía en los procesos fermentativos
 Cuales son los efectos del medio ambiente (temperatura, pH, Aw...) sobre el crecimiento.
 Que tipos de cultivos hay (intermitente vs continuo, liquido vs sólido, agitado vs tubular,
etc.).
 Como se pueden crecer y hacer producir a las células bajo condiciones intermitentes o
continuas.
 Como se comportan las poblaciones mixtas en fermentadores.
DESCRIPCIÓN DEL CURSO
Durante el desarrollo de la UEA se revisarán, desde un punto de vista crítico, las variables
que influyen en la conducta de un cultivo microbiano. En consecuencia, se describirán y
discutirán el efecto de las condiciones nutricionales y físico-químicas en el cultivo. Se
definirán como variables de respuesta la velocidad específica de crecimiento, respiratoria,
así como el rendimiento del cultivo microbiano. Serán varias las herramientas de apoyo
utilizadas será tales como conceptos de equilibrio químico, química orgánica e inorgánica,
balances de materiales, elementos del cálculo diferencial e integral, entre otros. Se hará un
análisis descriptivo y matemático de los cultivos en lote. Situación similar se hará con los
cultivo en continuo. Se analizarán y medirán el efecto de las variables ambientales a través
de modelos y se hará una discusión a partir de la información bioquímica existente. Se hará
el análisis crítico de procesos microbiológicos existentes para ilustrar situaciones reales.
1
Temario
1 Introducción
4 horas
1.1 Examen de reconocimiento (0.5 horas)
1.2 Presentación del curso (Contenido del programa)
1.3 Integración de los procesos biotecnológicos (materias primas, microorganismo, reactor, procesos de
separación y control del proceso). Tipos de productos obtenidos.
1.4 Variables relevantes de los procesos industriales (costos, impacto ecológico y generación de bienes
y servicios)
2 Microorganismos de aplicación industrial
4 horas
2.1 Características generales de los microorganismos (tipo, requerimientos nutricionales y ambientales).
2.2 Fuentes y características de microorganismos de aplicación industrial.
2.3 Métodos de estimación del crecimiento microbiano. (número, biomasa e indirectos).
3 Diseño de medios de cultivo y escalamiento
4 horas
3.1 Revisión de nutrición microbiana, composición de los microorganismos
3.2 Componentes del medio de cultivo: balance de materia y energía, componentes de control (pH,
antiespumantes), requerimientos para producción: precursores e inductores.
3.3 Medios industriales: definidos y complejos. Revisión de ejemplos de medios industriales.
4 Balances estequiométricos
4.1 Balance de masa (en base mol y C-mol)
4.2 Balance de grado de reducción
4.3 Energética: relación entre rendimiento y ATP.
6 horas
1er. examen parcial
2 horas
5. Cinética de crecimiento en cultivo por lotes
6 horas
5.1 Curva de crecimiento (descripción de diferentes fases)
5.2 Balance de materia ((dx/dt= X) Validez de la ley de crecimiento exponencial (si 
5.3 Tasa específica de crecimiento, tiempo de doblamiento.
5.4 Modelos matemáticos que describen el crecimiento microbiano (Monod, exponencial, logístico,
Gompertz, cúbico, polinomial, etc.)
6. Consumo de nutrientes y formación de productos
6 horas
6.1 Ecuaciones de balance de biomasa, substrato y producto.
Definición de rendimientos de crecimiento y formación de productos (, qp, qs, Yx/s, Yx/p).
Definición de productividad (biomasa y producto)
6.2 Crecimiento:
dependencia con la concentración de substrato
Inhibición por producto o substrato (modelos)
Efectos ambientales: temperatura (Arrhenius), pH, sustratos insolubles.
6.3 Consumo de sustrato: energía de mantenimiento
2
6.4 Formación de producto:
Productos asociado, parcialmente asociado y no- asociado al crecimiento.
Ecuaciones de Pirt y Luedeking y Piret
6.5 Efecto de algunas condiciones de operación sobre , Y (biomasa y producto), qp, qx...
6.6 Introducción a Ingeniería metabólica. Modelos estructurados
7. Cultivo continuo
7.1 Teoria del quimiostato: Ecuaciones fundamentales del cultivo continuo
7.2 Relación entre tasa de dilución y crecimiento celular
7.3 Relación entre tasa de dilución y formación de productos
7.4 Productividad, comparación con productividad en lote.
7.5 Desviaciones al comportamiento del cultivo continuo ideal
7.6 Cultivo continuo con recirculación de biomasa
7.7 Cultivo continuo con etapas múltiples (con y sin alimentación)
6 horas
8. Cultivos mixtos
4 horas
8.1 Ecología de interacciones microbianas. Definición de interacciones (amensalismo, comensalismo,
competencia, neutralismo, parasitismo, etc.)
8.2 Ejemplos de procesos con cultivos mixtos: alimentos (yogurt, otros tradicionales), ambientales
(agua, suelo)
8.2 Modelos matemáticos sobre competencia en cultivo por lote y continuo
2º. examen parcial
2 horas
MODELO DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE
Exposición y análisis de los temas a partir de los objetivos del programa de estudio. Se
tendrá como marco de referencia procesos industriales microbiológicos existentes
haciéndoles una valoración de su validez y actualidad en el contexto nacional. También se
realizarán ejercicios numéricos como recurso de aprendizaje, no como objetivo del curso. El
estudiante, objeto del curso, tendrá un papel activo y se exigirá su presencia y participación
en la descripción, análisis y discusión del contenido del programa.
El curso incluirá elementos cualitativos (descripción) y cuantitativos (modelos matemáticos,
balances de materiales, etc.). El curso estará dividido en dos grandes temas, a saber, el
cultivo en lote (la mayor parte) y cultivo en continuo. El contenido girará desde la definición
de medios de cultivo para propósitos diferentes, el efecto ambiental sobre el cultivo, hasta el
manejo de las condiciones de operación de proceso lo que incluirá algunos elementos de
ingeniería de reactores.
Durante el desarrollo de la UEA se hará hincapié en que la definición precisa del cultivo,
independientemente del propósito que se persiga, crecimiento o respiración, redundará en
menores costos de operación, mayor productividad, mayor sustentabilidad y conservación
del ambiente.
Se recomienda que los alumnos realicen un trabajo trimestral sobre algún producto de
fermentación y que puedan aplicar los diferentes temas. Se propone: alcohol etílico, ácido
cítrico, levadura, penicilina, ácido láctico, procesos ambientales (aeróbico, anaeróbico),
vinagre, biopolímeros, etc. Este trabajo debe de contener:
3
a)
b)
c)
d)
e)
Nombre y características principales del producto (estructura química, propiedades, usos)
Microorganismo utilizado para su producción (nombre y principales características)
Composición del medio de cultivo
Condiciones de fermentación
Análisis de rendimientos y de velocidades específicas de formación de productos.
Criterios de evaluación*:
Exámenes diarios
25%
Exámenes parciales
40%
Tareas
15%
Laboratorio
20%
* Para la calificación de las tareas y exámenes se considerará la ortografía
Calificación:
MB: 9.00 – 10.00
B: 7.50 - 8.99
S: 6.00 - 7.49
NA: 0.00 - 5.99
Bibliografía
Wang, et al. 1979. Fermentation and enzyme technology. Academic Press. N.Y.
Pirt, S.S. 1975. Principles of microbial and cell cultivation. Blackwell Scientific Publication.
Solomons, G.L. 1969. Material and methods in fermentation. Academic Press, New York.
Malek et al. 1969. Continuous cultivation of microorganisms. Academic Press, New York.
Quintero, R. 1981. Ingeniería Bioquímica. Ed. Alhambra. España.
Bailey, J.E. and Olis D.F. (1977) Biochemical Engineering Fundamentals. McGraw-Hill.
México.
Bu'LocK J. and Kristiansen B. (1991). Biotecnología Básica. Ed. Acribia S. A.
Crueger W. and Crueger A (1993). Biotecnología: Manual de Microbiología Industrial. Ed.
Acribia S. A. (QR53 C7.818)
Moat A and Foster J. (1996). Microbial Physiology. Td. Ed. Wiley edition Singapur.
Pirt J. (1975). Principles of Microbe and Cell Cultivation. Blackwell Scientific Publications.
Londres.
Shuler, M. y Kargi, F. Bioprocess Engineering, Prentice Hall, 1992
Enero del 2004.
4