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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA

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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE
BIOLOGÍA Y MICROBIOLOGÍA
MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL:
CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
CURSO
:
DOCENTE :
ESTUDIANTES:
Microbiología Industrial
Dr. Daladier
Mayra Sharon Begazo Flores
Gabriel Aly Jiménes Sucari
TACNA – PERÚ
2016
[Escriba texto]
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2012- 36100
2012- 36085
CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
ÍNDICE
CRECIMIENTO DE CELULAS (BIOMASA MICROBIANA)
CRECIMIENTO RELACIONADO CON LA TEMPERATURA
-
Cada tipo microbiano tiene un óptimo de t o.
-
La to óptima de crecimiento con la de formación de producto no son
necesariamente la misma.
-
La velocidad especifica de crecimiento se describe por el modelo de
arrhenius:
CRECIMIENTO RELACIONADO CON EL SUSTRATO
-
Relacionando al nutriente limitante según Monod:
BIOMASA RELACIONADO CON DEGRADACIÓN DEL SUSTRATO Y
FORMACIÓN DEL PRODUCTO:
RENDIMIENTO DE BIOMASA
PRODUCTIVIDAD: MEDIDA DE LA EFICIENCIA TOTAL DEL PROCESO
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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
INTRODUCCIÓN
Los microorganismos crecen en el espectro en variedad de entornos físicos
y químicos, su crecimiento y otras actividades fisiológicas en el tacto de una
respuesta, he aquí su entorno físico-químico. En
la cinética de
fermentación se describe el crecimiento y la formación del producto por los
microorganismos, no sólo el crecimiento celular activo, sino también las
actividades de descanso y la muerte de las células, ya que muchos
productos de la fermentación de alto interés comercial son producidos tras
el crecimiento que se ha detenido.
CINÉTICA DE LA FERMENTACION DISCONTINUA
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1. LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA.
Llamados también procesos “Bach” o lote, son de gran importancia dentro
de la biotecnología y son de gran uso industrial. Las técnicas que se llevan
a cabo, dependerá si el proceso es aerobio o anaerobio.
“Un proceso discontinuo o “Bach” puede considerarse como un sistema
cerrado. A tiempo cero, la solución esterilizada de nutrientes se inocula con
microorganismos y se permite que se lleve a cabo la fermentación en
condiciones óptimas. A lo largo de la fermentación no se adiciona nada,
excepto oxígeno (en forma de aire), un agente antiespumante y ácidos o
bases para controlar el pH. La composición del medio, la concentración de
sustrato, la concentración de biomasa y la concentración de metabolitos
cambia continuamente como resultado del metabolismo de la célula”.
Observándose las cuatro fases típicas de crecimiento: fase de latencia, fase
logarítmica, fase estacionaria y fase de muerte.
Mientras que en la fermentación continua se establece un sistema abierto.
La solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una
cantidad equivalente del cultivo, con los microorganismos, se saca
simultáneamente del sistema. En los procesos comerciales la fermentación
frecuentemente se interrumpe al final de la fase logarítmica (metabolitos
primarios) o antes de que comience la fase de muerte (metabolitos
secundarios).
2. CRECIMIENTO DE CELULAS (BIOMASA MICROBIANA).
Entendemos por crecimiento microbiano el aumento del número de
microorganismos a lo largo del tiempo. Por tanto, no nos referimos al
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crecimiento de un único microorganismo (ciclo celular) sino al demográfico
de una población.
Denominamos ciclo celular al proceso de desarrollo de una bacteria
considerada de forma aislada. A lo largo del ciclo celular, tiene lugar la
replicación del material de la bacteria, la síntesis de sus componentes
celulares, el crecimiento para alcanzar un tamaño doble del inicial y su
división por bipartición de la bacteria para dar lugar a dos células hijas. La
duración del ciclo celular coincide con el tiempo de generación y depende,
en general, de los mismos factores de los que depende este. El crecimiento
de una población resulta de la suma de los ciclos celulares de todos los
individuos. Este crecimiento suele ser asincrónico puesto que cada
microorganismo se encuentra en un punto diferente del ciclo celular. Por
consiguiente, en un momento determinado en una población se encuentran
células que acaban de dividirse, otras que están replicando su ADN y
elongándose, otras que están iniciando la división celular, etc. En un
crecimiento sincrónico todas las células se encuentran simultáneamente en
la misma fase del crecimiento celular. Los cultivos sincrónicos son muy
difíciles de mantener por lo que su importancia está principalmente ligada a
los estudios básicos de biología microbiana. Sin embargo, en la naturaleza,
las bacterias del suelo se encuentran en condiciones de crecimiento
próximas a la fase estacionaria (en la que se produce una cierta
sincronización del cultivo) y, por consiguiente, durante cierto tiempo las
poblaciones naturales probablemente se comporten como relativamente
sincrónicas.
2.1.
Cinética del crecimiento microbiano.
Es importante conocer la cinética de crecimiento de los cultivos microbianos
porque es necesario poder predecir cómo va a evolucionar un cultivo, cómo
va a ir consumiéndose el substrato y cómo se va a ir acumulando el
producto de una fermentación. Sin conocer estos factores es muy
imprudente iniciar el cultivo en un fermentador de 10.000 litros, por ejemplo,
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con el coste que ello supone, puesto que no podemos predecir qué va a
pasar, cuándo va a completarse el crecimiento, cómo se va a acumular el
producto, etc.
Las células aisladas cultivadas en un volumen finito de medio de cultivo
apropiado van utilizando los nutrientes que tienen disponibles con la mayor
eficiencia y rapidez que pueden, sintetizando sus propios componentes
celulares y dividiéndose en cuanto han podido duplicar su masa y su
material genético. El tiempo que tarda una célula en hacer todo lo anterior
es lo que conocemos como tiempo de generación y puede variar desde
unos 20 minutos en condiciones óptimas hasta varios meses en
condiciones del suelo. Cada vez que transcurre un tiempo de generación, el
número de células se duplica, siguiendo, por tanto, un incremento
exponencial.
Si llamamos No al número de células inicial, y g al número de generaciones
transcurridas, el número de células final (N) será:
N = N02g
Llamando T al tiempo de generación y t al tiempo de cultivo transcurrido, la
ecuación anterior puede transformarse en la siguiente:
N=N02t/T
Las ecuaciones exponenciales son muy difíciles de manejar gráficamente,
por ello es mejor transformarlas en algo más simple, como puede ser una
recta.
Para transformar las ecuaciones anteriores en una recta, tomamos
logaritmos en los dos términos y resulta:
LnN = LnN0 + 1/T ln2
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Esto es: el logaritmo del número de células crece linealmente con el tiempo
a razón de una constante igual a ln2/T. Si el tiempo de generación T es muy
grande, el crecimiento tendrá poca pendiente (será lento) y si T es pequeño
el crecimiento será rápido.
En un crecimiento equilibrado, todos los parámetros de crecimiento
evolucionan en paralelo. Esto es: el incremento en el número de células, en
la biomasa de cultivo y en la acumulación de metabolitos primarios,
proteínas, ácidos nucleicos etc., es paralelo. Por tanto, en la ecuación
anterior N puede representar cualquiera de estos factores.
Otra forma de representar la cinética es considerando el incremento en el
número de células (dN) en un intervalo corto de tiempo (dt). En este caso,
la ecuación que describe la cinética es la siguiente:
dN/dt=uN
Esto es: el incremento del número de células (dN) por unidad de tiempo (dt)
es proporcional al número de células presentes en el cultivo (N). A la
constante de proporcionalidad (µ) se le denomina tasa de crecimiento y
puede considerarse algo así como la probabilidad de que una célula se
divida en un tiempo determinado.
Integrando la ecuación anterior durante el tiempo de cultivo, se transforma
en la siguiente función exponencial:
N=N0eut
La transformación de esta ecuación en una recta (tomando logaritmos)
rinde lo siguiente:
LnN = LnN0 + ut
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Esto es: el incremento del logaritmo del número de células aumenta
linealmente con el tiempo siendo la constante de proporcionalidad µ.
Comparando esta ecuación con la similar presentada más arriba, podemos
concluir que µ = ln2/T y, por consiguiente, que T = ln2/µ. Es decir, que hay
una correlación inversa entre el valor de la tasa de crecimiento (µ) y el
tiempo de generación.
Estas ecuaciones nos permiten predecir cuál será el número de células,
masa celular, etc. después de un cierto tiempo de cultivo (t) si conocemos
µ; o bien, poder calcular la tasa de crecimiento µ a partir de medidas
experimentales del incremento en el número de células, biomasa, etc.
2.2.
Fases del crecimiento de un cultivo
El estudio de la cinética del crecimiento de microorganismos que crecen en
un cultivo realizado en un volumen finito denominado cultivo batch o
podríamos traducirlo por cutivo discontinuo por contraposición con el cultivo
continuo. El desarrollo de un cultivo discontinuo se ajusta al representado
en la siguiente figura:
Figura 01. Fases del crecimiento.
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Fuente: Google imágenes
Se pueden distinguir cuatro fases en el cultivo:
a. La fase lag o de adaptación. En la que el microorganismo se adapta a las
nuevas condiciones ambientales (abundancia de nutrientes y condiciones
de cultivo) y pone en marcha su maquinaria metabólica para poder crecer
activamente. La duración de esta fase es variable y en general es mayor
cuanto más grande sea el cambio en las condiciones en las que se
encuentra el microorganismo.
b. La fase exponencial. En ella la velocidad de crecimiento es máxima y el
tiempo de generación es mínimo. Durante esta fase las bacterias consumen
a velocidad máxima los nutrientes del medio.
c. La fase estacionaria. En la que no hay aumento neto de microorganismos,
lo que no significa que no se dividan algunos, sino que la aparición de
nuevos individuos se compensa por la muerte de otros.
Las células en fase estacionaria desarrollan un metabolismo diferente al de
la fase exponencial y durante ella se produce una acumulación y liberación
de metabolitos secundarios que pueden tener importancia industrial.
Los microorganismos entran en fase estacionaria porque se agota algún
nutriente esencial del medio o porque los productos de desecho que han
liberado durante la fase exponencial hacen que el medio sea inhóspito para
el crecimiento microbiano.
La fase estacionaria tiene gran importancia porque probablemente
represente con mayor fidelidad el estado metabólico real de los
microorganismos en los ambientes naturales.
d. La fase de muerte. En la que el número de microorganismos vivos
disminuye de forma exponencial con una constante k que depende de
diferentes circunstancias.
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En la fase de muerte decimos que el número de microorganismos vivos
disminuye exponencialmente. Pero ¿qué es un microorganismo vivo en
términos microbiológicos? Consideramos vivo al microorganismo que puede
multiplicarse (dividirse), y muerto al que ha perdido irreversiblemente la
capacidad de dividirse. Es importante entender este concepto porque los
microorganismos microbiológicamente muertos no tienen por qué estar
metabólicamente inactivos.
3. FACTORES
AMBIENTALES
QUE
AFECTAN
AL
CRECIMIENTO
DE
MICROORGANISMOS.
Una vez visto cómo podemos seguir la evolución de un cultivo, vamos a
recordar que en un proceso de crecimiento equilibrado todos los parámetros
del cultivo evolucionan manteniendo unas proporciones constantes. Por tanto,
la medida (seguimiento) de cualquiera de los factores nos permite seguir la
evolución de los otros. ¿Qué factores ambientales influyen en el crecimiento
microbiano? A continuación vamos a revisar los que son estrictamente
ambientales y más adelante revisaremos los relacionados con los nutrientes
del cultivo. Entre los factores ambientales destacan los siguientes:
3.1.

CRECIMIENTO RELACIONADO CON LA TEMPERATURA
Cada tipo microbiano tiene un óptimo de To.
Cada microorganismo tiene una temperatura de crecimiento adecuada. Si
consideramos la variación de la velocidad de crecimiento (µ) en función de la
temperatura de cultivo, podemos observar una temperatura mínima por debajo
de la cual no hay crecimiento (dX/dt = 0); a temperaturas mayores se produce
un incremento lineal de la velocidad de crecimiento con la temperatura de
cultivo hasta que se alcanza la temperatura óptima a la que µ es máxima. Por
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encima de esta temperatura óptima, la velocidad de crecimiento decae
bruscamente (µ → 0) y se produce la muerte celular.
El incremento de µ con la temperatura se debe al incremento generalizado de
la velocidad de las reacciones enzimáticas con la temperatura. Se
denomina coeficiente de temperatura a la relación entre el incremento de la
velocidad de reacción y el de temperatura. En términos generales, la velocidad
de las reacciones bioquímicas suele aumentar entre 1.5 y 2.5 veces al
aumentar 10ºC la temperatura a la que tienen lugar. La ausencia de
crecimiento (µ=0) a temperaturas muy bajas se debe a la reducción de la
velocidad de crecimiento y al cambio de estado de los lípidos de la membrana
celular que pasan de ser fluidos a cristalinos (algo parecido a la precipitación
del aceite a bajas temperaturas) impidiendo el funcionamiento de la membrana
celular. La muerte celular a altas temperaturas se debe a la desnaturalización
de proteínas y a las alteraciones producidas en las membranas lipídicas a esas
temperaturas.
Es importante tener en cuenta que a temperaturas muy bajas, el metabolismo
celular es muy bajo y las células paran de crecer; aunque no tienen por qué
comenzar a morir. Sin embargo, cuando la temperatura es superior a la óptima,
se produce la muerte celular rápidamente y las células no pueden recuperar su
capacidad de división si baja posteriormente la temperatura. Esto permite
esterilizar por calor y no por frío.
Hay varios tipos de microorganismos en función de sus temperaturas de
crecimiento mínima, máxima y óptima.
Tipo de microorganismo
T° mínima
T° óptima
T° máxima
Psicrófilo
-5 +5
12 - 15
15 - 20
Psicrótrofo
-5 +5
25 - 30
30 - 35
Mesófilo
5 - 15
30 - 45
35 - 47
Termófilo
40 - 45
55 - 75
60 - 90
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Además de los indicados existen organismos hipertermófilos que pueden
crecer a temperaturas cercanas o incluso superiores a 100ºC en condiciones
de alta presión. Son microorganismos muy importantes desde el punto de vista
ambiental; pero no tienen aplicaciones actuales en agronomía o en
microbiología industrial.
Los microorganismos psicrótrofos son mesófilos que pueden crecer a
temperaturas bajas. Esto es importante desde el punto de vista aplicado
porque cuando se encuentran contaminando alimentos, son capaces de crecer
en condiciones de refrigeración (4 - 8ºC) y de producir infecciones en los
consumidores del alimento (30 - 35ºC).
Los microorganismos deben ser cultivados a la temperatura adecuada para
que su crecimiento sea el deseado. En cualquier caso, hay que tener en cuenta
los problemas derivados de las altas temperaturas y controlar la de los
fermentadores para evitar la esterilización de los cultivos. Estas altas
temperaturas, por otro lado, tienen interés aplicado en el campo de la
termodestrucción de microorganismos y en algunos procesos de fermentación
en los que el incremento de temperatura que se produce es capaz de eliminar
los microorganismos mesófilos patógenos presentes.

La to óptima de crecimiento con la de formación de producto no son
necesariamente la misma.
Ningún proceso químico o físico-químico es ajeno a la influencia de la
temperatura a la que se realiza; tan sólo varía la magnitud de este efecto en
cada caso.
Como en todas las fermentaciones, se dan distintos procesos bien
diferenciados pero estrechamente relacionados. Entre ellos, el mayor
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interés cuantitativo lo ostentan el desarrollo de los microorganismos y la
formación de producto como consecuencia del metabolismo de los mismos.
A su vez, ambos procesos son la consecuencia global de procesos
parciales cuya dependencia con la temperatura no es necesariamente la
misma.
La temperatura óptima del proceso depende especialmente de la
composición de la materia prima empleada, en particular de la
concentración total o grado total de la misma. Por ejemplo, la fermentación
de vinos o substratos alcohólicos de elevada concentración requiere el
empleo de temperaturas de fermentación más bajas.

La velocidad especifica de crecimiento se describe por el modelo de
Arrhenius:
Cuando el modelo de Arrhenius es empleado para evaluar el efecto de la
temperatura sobre el crecimiento microbiano, entonces k se transforma en
la velocidad de crecimiento específico (Ross y McMeekin, 1994; Giannuzzi
et al., 1998), y la ecuación de Arrhenius puede escribirse como:
u  Ae
(
Eo
)
RT
Dónde:
A= constante de Arrhenius
Eo= energia de activacion (Cal/mol)
R= constante de los gases (1,98 Cal/mol ok)
T = temperatura absoluta (ok)
NOTA: La energía de activación
-
Para el crecimiento está entre 15-20 Kcal/mol
Para la muerte microbiana esta entre 60-70 Kcal/mol
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Sin embargo, el crecimiento bacteriano es complejo y las extrapolaciones de
las gráficas pueden no mostrar linealidad, por lo tanto, la ecuación anterior no
puede encajar muy bien por debajo de los datos óptimos o por encima de las
temperaturas de crecimiento. Entonces, las gráficas obtenidas solo sirven para
predecir el crecimiento microbiano en un limitado rango de temperatura
(McDonald y Sun, 1999; La buza y Fu, 1993). Así la ecuación que ha sido
utilizada mayoritariamente para describir el efecto de la temperatura sobre el
crecimiento microbiano es el modelo de la raíz cuadrara propuesto por
Ratkowsky et al., en 1982 (Giannuzzi et al., 1998; Neumeyer et al., 1997;
Willocx et al., 1993; Adair et al., 1989)
√u = g + (T – T0)

Importancia de los microorganismos de ambientes extremos.
La mayor parte de los microorganismos de importancia aplicada tanto en
microbiología
industrial
como
alimetaria
son
mesófilos,
psicrófilos
o
psicrótrofos. En los procesos de compostaje, el papel de los termófilos es
importante, y también hay que conisderar la presencia de esporas
termorresistentes
en
el
estudio
de
los
tratamientos
térmicos
de
termodestrucción de microorganismos en alimentos.
Sin embargo, es creciente el número de productos que se producen partiendo
de microorganismos termófilos porque producen proteínas termorresistentes
que tienen gran utilidad en procesos aplicados. Quizá el mejor ejemplo de esto
es la ADN polimerasa Taq obtenida a partir de la eubacteria termófila Thermus
aquaticus. Esta enzima permite sintetizar in vitro ADN a alta temperatura lo que
ha sido esencial para el desarrollo de la tecnología de la reacción en cadena
de la polimerasa (conocida por sus iniciales en inglés: PCR) lo cual ha
supuesto un avance en la biología molecular, el diagnóstico y la detección de
microorganismos en los ambientes más variados.
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
Actividad de agua: Se denomina actividad de agua a la relación entre la
presión de vapor de agua del substrato de cultivo (P) y la presión de vapor de
agua del agua pura (P0). El valor de la actividad de agua está relacionado con
el de la humedad relativa (HR).
El valor de la actividad de agua nos da una idea de la cantidad de agua
disponible metabólicamente. Por ejemplo: comparemos el agua pura donde
todas las moléculas de agua están libremente disponibles para reacciones
químicas con el agua presente en una disolución saturada de sal común (NaCl)
donde una parte importante de las moléculas de agua participa en la
solvatación de los iones de la sal disuelta. En este último caso, la actividad de
agua es mucho menor que en el primero. Conforme aumenta la cantidad de
solutos en el medio, disminuye su actividad de agua.
Cuando un microorganismo se encuentra en un substrato con una actividad de
agua demasiado baja, su crecimiento se detiene. Esta detención del
crecimiento no suele llevar asociada la muerte del microorganismo, sino que
éste se mantiene en condiciones de resistencia durante un tiempo más o
menos largo. En el caso de las esporas, la fase de resistencia puede ser
considerada prácticamente ilimitada.
La gran mayoría de los microorganismos requiere unos valores de actividad de
agua muy altos para poder crecer. De hecho, los valores mínimos de actividad
para diferentes tipos de microorganismos son, a título orientativo, los
siguientes: bacterias aw >0.90, levaduras aw>0.85, hongos filamentosos aw
>0.80. Como puede verse, los hongos filamentosos son capaces de crecer en
substratos con una actividad de agua mucho menor (mucho más secos) de la
que permite el crecimiento de bacterias o de levaduras. Por esta razón se
puede producir deterioro de alimentos de baja actividad de agua (por ejemplo,
el queso o almíbares) por mohos (hongos filamentosos) y no por bacterias.
En función de su tolerancia a ambientes con baja aw, los microorganismos que
pueden crecer en estas condiciones se clasifican en halotolerantes, halófilos y
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xerófilos según toleren o requieran condiciones salinas o hipersalinas,
respectivamente. La reducción de la actividad de agua para limitar el
crecimiento bacteriano tiene importancia aplicada en industria alimentaria. La
utilización de almíbares, salmueras y salazones reduce la actividad de agua del
alimento para evitar su deterioro bacteriano.

El pH: Es un parámetro crítico en el crecimiento de microorganismos ya que
cada tipo de microorganismo sólo puede crecer en un rango estrecho de pH
fuera del cual mueren rápidamente.
El pH intracelular es ligeramente superior al del medio que rodea las células ya
que, en muchos casos, la obtención de energía metabólica depende de la
existencia de una diferencia en la concentración de protones a ambos lados de
la membrana citoplásmica. El pH interno en la mayoría de los microorganismos
está en el rango de 6.0 a 7.0.
Los rangos de pH tolerables por diferentes tipos de microorganismos son,
también, distintos. Hay microorganismos acidófilos que pueden vivir a pH=1.0 y
otros alcaló- filos que toleran pH=10.0
Hay que considerar que, como consecuencia del metabolismo, el pH del medio
de crecimiento suele tender a bajar durante el cultivo. Por otra parte, la bajada
del pH del medio que producen ciertos microorganismos les confiere una
ventaja selectiva frente a otros microorganismos competidores. Así, por
ejemplo, las bacterias lácticas que producen grandes cantidades de ácido
láctico como consecuencia de su metabolismo primario reducen el pH del
medio de cultivo a valores inferiores a los soportables por otras bacterias
competidoras (llegan a bajar el pH del medio hasta 4.5). De esta forma, las
bacterias competidoras mueren y las lácticas se convierten en la población
dominante.
La bajada del pH se puede deber a varios factores, uno de los cuales es la
liberación de ácidos orgánicos de cadena corta (fórmico, acético, láctico) por
ciertas bacterias. En este sentido, hay que tener en cuenta que la acción
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bactericida de estos ácidos orgánicos de cadena corta es más potente que la
debida únicamente a la bajada del pH que producen. Esto es, los ácidos
orgánicos de cadena corta son tóxicos para algunas bacterias por sí mismos.
El efecto letal del pH ácido sobre los microorganismos tiene aplicación en la
conservación de alimentos acidificándolos. De esta forma, la adición de ácido
acético en forma de vinagre permite la conservación de alimentos perecederos
(escabeches, por ejemplo) y la producción de ácidos en el curso de
fermentaciones naturales permite alargar la vida de los alimentos (coles
fermentadas, por ejemplo).

Potencial Redox: nos indica la capacidad del substrato para aceptar o donar
electrones, esto es: sus características oxidantes o reductoras. Uno de los
factores que intervienen en el potencial redox, aunque no el único, es la
concentración de oxígeno [O2].
Hay microorganismos que requieren ambientes oxidantes para crecer, mientras
que otros necesitan ambientes reductores. El metabolismo de ambos tipos de
microorganismos
presenta
diferencias
notables.
El
requerimiento
de
condiciones oxidantes o reductoras no debe confundirse con la necesidad de
presencia o ausencia de oxígeno para que se produzca el crecimiento.
En general, cuando un microorganismo requiere un ambiente oxidante se dice
que desarrolla un metabolismo oxidativo (o respirativo) mientras que los
microorganismos que requieren ambientes reductores (o menos oxidantes)
realizan un metabolismo fermentativo. Un microorganismo es aerobio cuando
necesita oxígeno para vivir y es anaerobio cuando o bien no lo necesita
(anaerobios facultativos como las bacterias entéricas, o como Saccharomyces
cerevisiae; o anaerobios aerotolerantes como las bacterias lácticas) o cuando
muere en presencia de oxígeno (anaerobios estrictos como los clostridios). Hay
microorganismos que viven en ambientes carentes de oxígeno (anaerobios)
que, sin embargo, llevan a cabo un metabolismo oxidativo porque usan otro
aceptor final de electrones que actúa como oxidante ambiental. Por ejemplo,
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las bacterias que "respiran" nitratos (NO3 - ), sulfatos (SO4 2-) u otros
compuestos orgánicos oxidados (respiración anaerobia).
Hay microorganismos que, aunque viven en presencia de oxígeno, no son
capaces de utilizarlo como aceptor final de electrones y deben desarrollar un
metabolismo fermentativo (las bacterias lácticas que son anaerobias
aerotolerantes, por ejemplo).
Por otra parte, hay microorganismos que pueden desarrollar ambos tipos de
metabolismo. Esto es: en presencia de oxígeno desarrollan un metabolismo
oxidativo y en su ausencia, fermentativo. El rendimiento de los procesos
fermentativos es menor que el de los respirativos: las bacterias y las levaduras
producen menos biomasa cuando crecen fermentando que cuando lo hacen
respirando.
En el curso de ciertas reacciones metabólicas redox se forman compuestos
altamente reactivos (radicales libres, formas superóxido) que pueden dañar las
proteínas, membranas y ácidos nucleicos produciendo la muerte de las células.
Las células se defienden de estos compuestos reactivos mediante las enzimas
siguientes: Superóxido dismutasa (SOD) y catalasa. Los anaerobios estrictos
carecen de SOD y de catalasa o tienen niveles muy bajos de estas enzimas de
forma que no pueden sobrevivir en presencia de oxígeno. La detección de
estas enzimas tiene valor taxonómico.
3.2.
CRECIMIENTO RELACIONADO CON EL SUSTRATO.
El gráfico siguiente representa la variación de la biomasa (o número de
células, etc.) de un cultivo (línea roja) a lo largo del tiempo. En este cultivo,
se va consumiendo un substrato cuya concentración (línea azul) decrece de
forma proporcional al crecimiento de la biomasa.
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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
Fuente: Google imágenes
Esta relación de proporcionalidad puede expresarse de la forma
siguiente:
dN/dt = - Ys (dS/dt)
Donde: dS indica la variación de la concentración del substrato. Al
valor Ys lo denominamos rendimiento de utilización del substrato, ya
que mide la cantidad de biomasa que puede producirse por unidad de
substrato consumido:
Ys = dN/dS
(8)
El rendimiento de utilización de diferentes substratos puede ser diferente
(hay substratos, o alimentos, que "engordan" más que otros), varía entre
diferentes microorganismos (en un símil antropomórfico: hay personas
que engordan más que otras comiendo lo mismo) y varía también en
función de otras condiciones ambientales o fisiológicas (no engorda lo
mismo uno al comer algo si está sano o enfermo o si está en verano o
en invierno). También varía el rendimiento en función de que el
metabolismo sea oxidativo o fermentativo (estos conceptos serán
revisados más adelante).
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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
Podemos calcular el rendimiento de la utilización del substrato en
función de la cantidad de substrato añadido al cultivo, o en función de la
cantidad de carbono presente en ese substrato. Asimismo, podemos
calcular la cantidad de biomasa total en gramos de células, o de
carbono presente en las células (aproximadamente el 50% de la masa
celular corresponde a carbono).
Haciendo las transformaciones que se indican a continuación sobre la
fórmula que relaciona la variación de biomasa con la de substrato (8),
llegamos a la definición de un nuevo concepto qs denominado tasa
específica de consumo de substrato por el organismo.
Ys = dN/dS (ecuación 8)
dN/dt = Ys (dS/dt) (ecuación 9)
(dN/dt)/N = Ys (dS/dt)/N (ecuación 10)
Como, de acuerdo con la ecuación (5),
µ = (dN/dt)/N, (ecuación 11)
Esto es, la tasa específica de consumo de substrato (qs), la podemos
considerar la "velocidad" con la que el organismo consume el substrato.
Evidentemente, cuanto mayor sea la tasa de consumo mayor será la
tasa de crecimiento (µ).
qs = Ys/µ
(ecuación 12)
Asimismo, cuanto mayor sea el rendimiento del substrato consumido,
también mayor será la tasa de crecimiento.
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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
Sin embargo, hay una cierta compensación entre la tasa de consumo
del substrato y el rendimiento de forma que los microorganismos que
tienen altas tasas de consumo de substrato tienen rendimiento más bajo
(o cuando se dan las condiciones para una alta tasa, el rendimiento
disminuye). A esta relación inversa se le conoce con el nombre de efecto
Pasteur.
Por último, nos falta relacionar la tasa de crecimiento (µ) con la
concentración de substrato (S). En condiciones de substrato abundante,
la concentración de este no afecta al valor de µ; pero cuando el
substrato se hace limitante, sí existe ese efecto. La expresión
matemática que relaciona ambos parámetros se conoce con el nombre
de ecuación de Monod y es la siguiente:
µ = µmax [S/(Ks+S)]
(ecuación 13)
En esta ecuación la tasa de crecimiento (µ) depende de la máxima que
puede alcanzar el microorganismo (µmax), de la concentración de
substrato (S) y de un valor constante, Ks, que representa la
concentración de substrato a la que se alcanza una tasa de crecimiento
igual a la mitad de la máxima. La ecuación de Monod tendrá mucha
importancia al tratar de cultivos continuos. Para que se cumpla esta
ecuación el rendimiento debe ser independiente de la concentración de
substrato.
En la práctica, los valores de Ks suelen ser muy bajos, lo que indica que
los microorganismos crecen con tasas (µ) muy próximas a las máximas
(µmax) a concentraciones de substrato bajas y sólo cuando estas son
extremadamente bajas, la velocidad de crecimiento se reduce. Esto es
debido a que los sistemas de transporte de nutrientes suelen tener
valores de Km considerablemente reducidos (La Km indica la
concentración de substrato a la que la velocidad de transporte es la
mitad de la máxima)
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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
4. BIOMASA RELACIONADO CON
DEGRADACIÓN DEL SUSTRATO Y
FORMACIÓN DEL PRODUCTO:
En un sistema de operación discontinua la condición fundamental de flujo es:
E = 0 = S. “El flujo de entrada y el flujo de salida son cero: F1 = 0 = F2”
Durante la fermentación discontinua o en lote, la composición del medio de cultivo,
la concentración de microorganismos (concentración de la biomasa), la
composición química interna de los microorganismos, y la cantidad de la proteína
"target" o del metabolito, todas cambian como una consecuencia del estado de
crecimiento celular, el metabolismo celular y la disponibilidad de nutrientes.
Bajo estas condiciones, se observan usualmente seis fases de crecimiento: fase
lag, fase de aceleración, fase logarítmica o exponencial, fase de desaceleración,
fase estacionaria y fase de muerte.
Durante la fase logarítmica de crecimiento, la masa celular sufre varias
duplicaciones y la velocidad de crecimiento específica del cultivo (µ) permanece
constante.
Cuando hay exceso de sustrato (suplemento de nutrientes) y no hay inhibición del
crecimiento, la velocidad de crecimiento específica es independiente del sustrato.
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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
En este caso, la velocidad de incremento de la biomasa celular con el tiempo,
dX/dt, es el producto de la velocidad de crecimiento específico, µ, y de la
concentración de la biomasa, X:
dX/dt = µX
La velocidad de crecimiento específico, µ, es una función de la concentración del
substrato limitante (por ej., la fuente de carbono o de nitrógeno) S, de la velocidad
de crecimiento específica máxima, µmax, y de una constante específica de
sustrato Ks. Ambas S y Ks son expresadas en términos de concentración, por ej.
en gramos o moles por litro.
µ = µmax [S/(Ks+S)]

ds
dt
Sustrato
consumido
dP
dt
uX
Y ( x / s)

qpX
Y ( p / s)

Crecimiento

Producto
Acumulado
Síntesis de
producto
q pX
Síntesis de
Producto
S: Concentración de sustrato (g/l)
t: Tiempo
u: Velocidad especifica de crecimiento(h-1)
X: Concentración Celular (g/l)
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
mX
Mantenimiento
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5. RENDIMIENTO DE BIOMASA:
La concentración de biomasa por unidad de tiempo es:
x – XR = γs (SR – s)
Dónde:
x = concentración celular en un tiempo t
XR = inóculo o concentración celular inicial
γ = rendimiento para el substrato limitante (g de biomasa por g de substrato
consumido)
s = concentración de substrato en el tiempo t
SR = concentración inicial de medio
Ys = dN/dS
μ = (dN/dt)/N
(dN/dt)/N = Ys (dS/dt)/N
μ = Ys qs
«tasa específica de consumo de
substrato»
Figura. Curva de la variación de la biomasa en relación con el sustrato.
6. PRODUCTIVIDAD : MEDIDA DE LA EFICIENCIA TOTAL DEL PROCESO
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La productividad se define como la producción de biomasa por unidad de volumen,
por unidad de tiempo del cultivo, dado en concentración de biomasa (g/L) en
función del tiempo (h). Esta depende del diseño del fermentador, ya que afecta la
transferencia de oxígeno que se ve reflejada en el rendimiento obtenido al final de
la fermentación (Quinteros, 1981).
Un microorganismo adecuado para su utilización industrial debe producir la
sustancia de interés, pero hay muchos otros aspectos a considerar. Es preciso
disponer del organismo en cultivo axénico (puro), debe ser genéticamente estable,
y debe crecer en cultivo a gran escala (Stanbury et al., 1995).
Por otra parte el volumen de cultivo variará en el tiempo según sean F1 y F2.
Suponiendo que la densidad del cultivo y de la alimentación son iguales resulta:
Ahora bien, dependiendo de cómo sean F1 y F2 surgen, básicamente, tres
sistemas de cultivo, de los cuales veamos al modelo discontinuo:
Ambos caudales son nulos por lo que V es constante y en la ecuación anterior se
anulan los términos F1Ci1, F2Ci.
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.
El cultivo tipo "batch", si bien es quizás el más difundido, es el que menos
posibilidades de control ofrece. Una vez sembrado el medio de cultivo y fijada la
temperatura, las células quedan "libradas a su propia suerte" o, dicho de otro
modo, a su propia potencialidad, que se manifiesta creciendo a la máxima
velocidad que le permite el medio de cultivo empleado, siendo el operador un
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CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
mero espectador de los acontecimientos. En este aspecto tanto el cultivo continuo
como el "batch" alimentado superan ampliamente al "batch".
 En fermentaciones es llamada productividad volumétrica.
 Se expresa en gramos de producto por litro y hora.
P
Xf
1 Xf
ln
 td  tr  t l
um Xo
1 Xf
t
ln
 td  tr  t l
um Xo
td: Tiempo de descarga del fermentador(h)
tr: tiempo de recarga del fermentador(h)
tl: tiempo que dura la fase de latencia (h)
um: velocidad máxima de crecimiento (h-1)
Xo: Concentración inicial de células (g/l)
BIBLIOGRAFÍA
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Xf

t
CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN DISCONTINUA
 Microbiología Industrial. José Merchuk. 2006.
 Desarrollo de Modelos Cinéticos para Bioprocesos. Alarcón Martín. 1999.
 https://www.academia.edu/992792/Aplicaci%C3%B3n_de_la_Microbiolog
%C3%ADa_Predictiva_en_la_determinaci%C3%B3n_de_la_vida_
%C3%BAtil_de_los_alimentos
 http://blog.espol.edu.ec/grakavas/files/2012/01/Microbiolog%C3%ADaPredictiva_Parte11.pdf
 http://www.unavarra.es/genmic/micind-2-2.htm
 http://www.unavarra.es/genmic/microgral/Tema%2002.%20Cultivo%20de
%20microorganismos.pdf
 https://microagroalimunvime.wikispaces.com/file/view/Microbiologia_Industri
al_Libro.pdf
BIOMASA RELACIONADO CON DEGRADACIÓN DEL SUSTRATO Y FORMACIÓN DEL
PRODUCTO
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Positivo. Es un método clásico. Bien conocido. Instalaciones simples Negativo.
Mala utilización de los medios materiales y humanos
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