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1
autotrofas
CO2
heterotrofas Glucosa
fototrofas
quimiotrofas
Luz como fuente de energía
Dadores de electrones a los que oxidan p/obtener su energía
Las funciones específicas del metabolismo son 4 :
1. Obtención de energía química de las moléculas combustibles o de la luz solar absorbida
2. La conversión de los principios nutritivos exógenos en sillares de construcción o precursores de los macromoleculares de la célula.
3. El ensamblaje de estos materiales para formar proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros componentes celulares.
4. La formación y degradación de las biomoléculas necesarias para las funciones especializadas
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Energía solar
Fotosíntesis
Energía química (ATP, NADPH, Glucosa)
Concentración transporte biosíntesis
Energía disipada (calor, entropía)
Organismos heterotrofos
Aerobios O2 agente reductor
Anaerobios alguna otra molécula actúa como agente reductor
Facultativos Puede usar O2 cuando dispone de él.
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glucosa
Células Heterotrofas
H2O
CO2
Células fotosintéticas
O2
Energía solar
Ciclo del carbono y del Oxígeno
Aminoácidos
Animales superiores
Amoniaco, urea
Bacterias Nitrificantes
(Nitrosomonas)
nitrito
Bacterias Nitrificantes (Nitrobacter)
nitrato
Plantas superiores
Bacterias fijadoras de nitrógeno
Nitrógeno atmosférico
Ciclo del nitrógeno
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Que es catabolismo? Es la fase degradativa del metabolismo de las moléculas nutritivas relativamente grandes (glúcidos, lípidos y proteínas ). Éstas se degradan para producir moléculas más pequeñas tales como ácido láctico, ácido acético, CO2, urea o amoniaco. Esta va a acompañado de la generación de energía química en forma de ATP (tri fosfato de adenosina).
Que es el anabolismo?
Es la fase constructiva de o biosintética del metabolismo, tiene lugar
biosíntesis enzimática de componentes moleculares de las células, como el
caso de ácidos nucleicos, proteínas, polisacáridos y lípidos.
La biosintesis precisa del consumo de energía el cual ha sido generado
durante el catabolismo.
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Glucólisis Ruta de Embden-Meyerhof • Prácticamente todas las células realizan glucólisis • 10 reacciones iguales en todas las células - diferente
velocidad • dos fases:
– Primera fase: conversión de la glucosa a dos G-3-P
– Segunda fase: se producen dos piruvatos • Productos: dos piruvatos, ATP y NADH • Tres posibles destinos para el piruvato
Glucosa
2 piruvatos
Glucólisis 10 reacciones sucesivas
2 etanol + CO2 2 acetil-CoA
4CO2 + H2O
2 lactato
Aerobiosis Anaerobiosis Anaerobiosis
Fermentación alcohólica levaduras
Respiración: Animales, plantas y microorganismos aerobios
Fermentación láctica Contracción muscular vigorosa, eritrocitos, algunos microorganismos.
- CO2
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• Piruvato tiene alta energía - dos posibles vías: – aeróbica: ciclo del ácido cítrico – anaeróbico: la LDH produce lactato
Destino de NADH y Piruvato ¿Aeróbico o anaeróbico?
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Balance energético de la glucólisis
Glucosa + 2 ATP + 2 NADH + 2Pi+ 4ADP + 2NADH+ 2 H+
2 lactato + 2ADP + NADH + 2H+ + 4ATP + 2NAD2 + 2H2O
Glucosa + 2Pi+ 2ADP → 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O
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Metabolismo de Hexosas
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Degradación del glucógeno
CAT
• Piruvato (de hecho acetato)de la glucólisis de degrada a CO2
• Se produce algo de ATP • Se produce más NADH • NADH se utiliza para sintetizar más ATP
en el transporte de electrones y fosforilación oxidativa
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Precursores biosintéticos
Energía (ATP,NADH)
Energía
Precursores biosintéticos
Producto (metabolitos, aminoacidos, penicilina,etc
Energía
Proteínas enzimas
Ácidos nucleicos (RNA, DNA)
polisacáridos
lípidos
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Crecimiento microbiano
Culturas antiguas: fermentación alcohólica y fermentación aerobica en la elaboración de pan.
A mediados del siglo 19 Pasteur realizó fermentación alcohólica con levaduras.
Control de fermentaciones de aeróbicas y anaeróbicas
La biotecnología avanzó con pasos agigantados durante la segunda guerra mundial.
Se desarrollo la producción de antibióticos, ácido láctico, acético y cítrico.
Desarrollo de bioreactores automatizados para el control de variables como pH, temperatura, oxigenación.
Uso de nuevas técnicas biotecnológicas en la optimización de procesos: ingeniería genética,
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Diferencias entre células eucariotas y procariotas
Eucariota
Procariota
Membrana citoplasmática
Pared celular
Plásmido (ADN extracromosómico)
Ribosomas Citoplasma
ADN cromosómico Pared celular (células vegetales)
Retículo endoplásmico
Ribosomas
Membrana ciplasmática
Aparato de Golgi
Mitocondria Membrana nucleolar ADN
Mesosoma
Citoplasma
Diferencias entre procariotas y eucariotas
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Microorganismos Bacterias Levaduras
Hongos Tejido celular
Diferencias significativas entre cada una de los organismos
Frec
uenc
ia d
e t d
Tiempo de duplicación td (min)
bacterias levaduras moho protozoarios
El control del crecimiento de Microorganismos es importante para:controlar contaminaciones evitando la competencia por el sustrato
Factores que regulan el crecimiento microbiano
• Nutrientes
• Condiciones físicas: Temperatura, pH, presión osmótica, radiación.
• Tiempo de generación
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Factores que afectan la sobrevivencia y desarrollo microbiano
• Intrínsecos – Nutrientes disponibles – pH – Eh (potencial de óxido-
reducción) – actividad de agua – Adaptación al sustrato – Estado fisiológico – Asociaciones microbianas
Factores que afectan la sobrevivencia y desarrollo microbiano
Extrínsecos • Temperatura • Composición de la
atmósfera • Humedad relativa
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autotrofas
CO2
heterotrofas
Glucosa
fototrofas
quimiotrofas
Luz como fuente de energía
Dadores de electrones a los que oxidan p/obtener su energía
Elementos nutrientes
C,H,O,N,S,P Metales
Vitaminas
Hidratos de
Carbono principalmente
PERO
Es necesario que el medio de cultivo de los microorganismos contenga todos los elementos constitutivos de la masa celular en sus proporciones requeridas por su composición interna.
Mo Cu Zn
0.03 Co
0.2 Fe 0.5 Ca 0.1 Mn 0.5 Mg 3 P 1 S
14 N 50 C 20 O 8 H
% del peso seco elemento Composición de elementos
constituyentes de células microbianas
Factores intrínsecos del crecimiento microbiano
AW 0.995 - 0.92 mayoría de bacterias patógenas 0.99 - 0.90 mayoría de bacterias deterioradoras 0.95 - 0.91 cocos, lactobacilos, levaduras < 0.85 levaduras deterioradoras < 0.85 hongos, S aureus 0.80 - 0.75 mayoría de bacterias halófilas 0.75 - 0.65 hongos xerófilos 0.65 0.60 lavaduras osmófilas
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Factores extrínsecos Temperatura: alta • resistencia a las temperaturas altas • gram negativas > levaduras > hongos >
cocos gram positivos >enterococos • esporas de hongos > esporas de
bacterias
Temperatura Optima • La temperatura óptima de crecimiento
está en el tope del rango de crecimiento.
• La muerte se desenlaza arriba de la temperatura máxima por inactivación de las enzimas.
• A los 5°C se detiene el crecimiento de la mayoría de los microorganismos
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Factores extrínsecos • Composición de la atmósfera • nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono • Efecto del CO2 sobre algunos mo’s
– ninguno: Streptococcus, lactobacilos, levaduras
– ninguno o débil: levaduras – Inhibitorio: Salmonella, Pseudomonas,
Bacillus – Estimulante: C. Jejuni, Brucella,
Lactobacillus
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Requerimientos de Oxígeno
• Aerobios Obligados– requiren O2
• Anaerobios Facultativos – Pueden usar O2 ,pero pueden crecer sin el.
• Anaerobios Obligados – Mueren en la presencia del O2
Microorganismos crecen se reproducen y segregan materiales biológicos útiles para el hombre (principio básico de la biotecnología).
Microorganismos Bacterias Levaduras
Hongos Tejido celular
+
Elementos nutrientes
C,H,O,N,S,P Metales
Vitaminas
+
Condiciones ambientales
pH,temperatura, O2 disuelto. Etc.
fermentación microorganismos + CO2 Productos
intra y extracelulares +
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FERMENTACIÓN Cultivo discontinuo (cultivo en batch)
Los microorganismos crecerán en un medio de cultivo el cual tiene los nutrientes
necesarios en una forma disponible y con los factores ambientales necesarios.
Los microorganismos están limitados a la concentración de los nutrientes. Los
Mos crece hasta que se agota el nutriente esencial y de igual manera se presenta
la acumulación de sustancias tóxicas.
La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta,
totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico.
Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de
fermentaciones.
CRECIMIENTO MICROBIANO.
En un medio de cultivo los microorganismos realizan dos funciones básicas:
1. Crecer 2. Reproducirse.
Sin embargo, el término “crecer” en general se refiere a las dos funciones
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CULTIVO POR LOTE:
Representa un sistema cerrado Se agrega en un inicio todos los nutrientes del medio Solo se agrega oxígeno y controladores de pH y espuma
Aire Estéril
Vasija del cultivo
Cultivo
Sistema de agitación
TIPOS DE BIORREACTORES
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¿Cuales son las diferencias?
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Donde: X es la concentración de células (mg cm3) T es el tiempo de incubación (h-1)
µ = es la velocidad especifica de crecimiento
Si integramos esta ecuación tenemos:
Donde: X0 es la concentración de células en el tiempo 0. Xt es la concentración de células en el tiempo
después de un tiempo de t (hrs).
Aplicando a la ecuación logaritmos naturales queda de la siguiente forma:
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El tiempo de duplicación de los microorganismos se describe por td y se hace median simple calculo algebraico. Si a un medio se inoculara a través de una solo célula se duplicaría de la forma siguiente:
1,2,4,8,16,32,64,128 ….etc
Entonces:
Entonces si t = td y Xt = 2X0 Tenemos:
Entonces:
RENDIMIENTO
Donde : X = concentración de células Y = factor de rendimiento para el sustrato limitante Sr = es la concentración original en el medio
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µ1
µ3 µ2
Concentración
µ ´s
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problema
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Concentración
µ ´s
A una sola concentración
µ1
Sustrato 1
Ks
µ2
Sustrato 2
Ks
½ µmax
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problema Tiempo (h) Biomasa x (gL) Xilosa (g/L)
0 0.151 19.50 5 0.173 17.82 7 0.231 16.42 9 0.322 15.89 11 0.504 15.35 13 0.760 15.01 16 1.000 14.67 19 1.322 14.28 21 1.533 13.88 23 1.630 13.50 25 1.795 13.11 26 1.889 12.49 28 1.865 11.95 30 1.865 11.48
Tiempo (h) biomasa Glu (g/L) glucosa (g/L)
0 0.153 19.5 5 0.182 17.17 7 0.238 15.69 9 0.457 14.21 11 0.697 13.5 13 0.985 12.3 16 1.345 11.6 19 1.667 10.7 21 1.889 9.98 23 1.89 9.55 25 1.893 9.12 26 1.896 9.03 28 1.899 8.91 30 1.902 8.83
Precio glucosa 7 pesos kilo
volumen de reactor 5000 litros
precio xilosa 3.5 pesos kilo
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La concentración por sustrato esta representada por la ecuación de Monod:
µ
S Ks
µmax
De la ecuación de Monod se pueden considerar los recíprocos para obtener la expresión:
Una gráfica de 1/m contra 1/S produce una línea recta con pendiente Ks/mmax y abscisa al origen -1/Ks y ordenada al origen:
1/µ
1/S -1/Ks
1/µmax
Ks/µmax
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• Transferencia de masa: Se produce en mezclas que contienen diferentes concentraciones locales.
• Difusión molecular: Es el movimiento de las moléculas de los componentes de una mezcla, debido a la diferencia de concentraciones existentes en el sistema.
a CA1
CA2 Dirección de la
transferencia de masa
Concentración de A, CA
Distancia, y
Agitación y aireación
Fase límite
Fase Gas
Fase Acuosa
CA1
CA1i
CA2i
CA2
Película acuosa Película Gaseosa
Teoría de la película
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TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE LAS BURBUJAS DE GAS A LAS CÉLULAS
La velocidad de transferencia de masa es el tiempo que le tomará en llegarle a las células los requerimientos necesarios para que estas se desarrollen,
en caso muy particular O2
Agregado celular Célula individual
Lugar de reacción del oxígeno
Interfase líq-sol
Película líquida
Burbuja de gas
Interfase gas-líquido
Película líquida
Célula individual Lugar de
reacción del oxígeno
Película líquida
(V), (VI), (VIII)
(IV)
(III) (II) (I)
(IV) (V)
(VI)
(VII) (VIII)
Consumo de oxígeno de cultivos celulares
Donde: CAL Es la concentración de oxigeno disuelto (mmol/dm-3) CAL Es la concentración saturada de oxigeno disuelto (mmol/dm3) t Es tiempo KL Es el coeficiente de transferencia de masa (cm/h) a es el área interfacial gas/liquido por unidad de volumen (cm) dCL/dt es la velocidad de transferencia de masa o de oxigeno. (mmol/hdm3)
Velocidad de transferencia de masa
Q02
Q02 Tasa especifica de consumo de oxigeno ( mmol O2/g de células-h)
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• Debido a la dificultad que existe para predecir el kLa en bioreactores mediante correlaciones, se determina experimentalmente.
• Existen métodos principales para la determinación del kLa y son:
1. Método de eliminación de gas 2. Método del balance de oxígeno 3. Método dinámico 4. Método de oxidación del sulfito de sodio.
• Los métodos tienen sus dificultades y exactitudes, sin embargo el más utilizado por su versatilidad es el método dinámico.
DETERMINACIÓN DEL kLa Método de eliminación de gas
Cuando C1=0 y t1=0
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Método de eliminación de gas
a 100 rpm
Jempo (min)
DO(%) Cg*-‐CL Ln(Cg*-‐CL)
1 18.1 81.2 4.40 2 30.7 69.2 4.24 3 45.3 54.7 4.00 4 57.2 42.8 3.76 5 68.4 31.6 3.45 6 74.7 25.3 3.23 7 79.2 20.8 3.03 8 80.5 19.5 2.97 9 84.6 15.4 2.73 10 88.7 11.3 2.42 11 91.6 8.4 2.13 12 94.7 5.3 1.67 13 95.8 4.2 1.44 14 96.3 3.7 1.31 15 96.3 3.7 1.31
y = -0.2367x + 4.6993 R² = 0.98878
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00
0 2 4 6 8 10 12 14 16
ln(C
g*-C
L)
Tiempo (min)
Pendiente = -Kla
Si la pendiente es = a -0.235 entonces tenemos: Kla= -(-0.235)*60= 14.1 /h
Método de eliminación de gas o método no fermentativo
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36
A 300 rpm
/empo (min)
DO(%) Cg*-‐CL Ln(Cg*-‐CL)
1 48.2 51.8 3.95 2 80.5 19.5 2.97 3 91.8 8.2 2.10 4 93.5 6.5 1.87 5 95.9 4.1 1.41 6 96 4 1.39 7 96.2 3.8 1.34 8 96.2 3.8 1.34
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50
0 2 4 6 8 10
ln(C
g*-C
L)
tiempo (min)
De cuanto es la Kla =20.7 h-1
Método de eliminación de gas o método no fermentativo
a 600 rpm
/empo (min)
DO(%) Cg*-‐CL Ln(Cg*-‐CL)
1 66.8 33.2 3.50
2 96.4 9.6 2.26
3 93.8 6.2 1.82
4 95.1 4.9 1.59
5 95.7 4.3 1.46
6 95.7 4.3 1.46
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
0 2 4 6 8
ln(C
g*-C
L)
tiempo (min)
De cuanto es la KLa
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Método del balance de oxígeno Método del balance de oxígeno
Na= consumo de oxigeno
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Método dinámico Este método considera un balance de masa del oxígeno en estado no
estacionario. Existen también una gran variedad de versiones de este método sin embargo se mencionará el más común.
Como se observa en la figura, en un determinado instante t0 el caldo es desoxigenado ya sea por la introducción de nitrógeno o deteniendo el flujo si el cultivo consume oxígeno
Método dinámico
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Método dinámico
Si graficamos C (CL) versus dC/dt se obtiene la figura que se presenta en donde la pendiente es -1/KLa Y la intersección con el eje C nos da Cg*
Cg*
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