Nutrientes (Comp. químicos) Agua (vehículo)

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1 Crecimiento Celular Cultivo: operación donde d se multiplican li las células l Inóculo: Pequeña cantidad de células Cond. Ambientales: Nutrientes (Comp. químicos) Agua (vehículo) T ph aireación agitación

2 Requerimientos Cuantitaivos Materia Energía Información Células Productos

3 Medios de Cultivo Elementos químicos C N Masa O H P,S... Célula Duplicación Mantención Excreción Energía Compuestos reducidos energía solar

4 Medios de Cultivo Fuentes para cada uno de los elementos C: carbohidratos, lípidos, ácidos orgánicos azúcares, ác. grasos,..., hidrocarburos,..., CO 2 N: proteínas, sales de amonio, amoniaco, nitratos,..., N 2 O: usualmente contenida en fuente de carbono y en el agua H: usualmente contenida en fuente de carbono y en el agua P: fosfatos Otros: sales minerales, vitaminas, nutrientes específicos

5 Medios de Cultivo Los elementos químicos deben ser aportados en compuestos químicos (sustratos) asimilables por la célula C N C reducido: Glucosa, ac grasos (células animales, levaduras,...) CO 2 (células vegetales fotosintéticas) Ion amonio (NH 4+ ) N 2 (bacterias fijadoras de N 2 ) NO 3- (células vegetales) O, H están en los comp orgánicos P, S, K como sales minerales

6 Medios de Cultivo Tipos de Medio de cultivo Complejo: subproductos industriales comp. compleja y variable Melaza, suero de queserías Definido: comp. Puros glucosa, sulfato de amonio, fosfatos,..

7 Crecimiento Celular Modelación del aumento de la población N = N 2 0 t t d t : tpo. de duplicación d N 0 : Nº inicial de células Tiempo:

8 Crecimiento Celular Ecuación que describe el crecimiento celular dx X: masa de células/volumen = µ X dt µ: velocidad específica de crecimiento X = X e µ t 0

9 Crecimiento Celular Se agregan los nutrientes al inicio de la operación del cultivo. Se agrega el inóculo. Se ajustan las condiciones ambientales favorables. La población de células aumenta (Crecimiento del cultivo)

10 Cultivos por lotes Tiempos de duplicación característicos Tipo de célula t d (h) Bacterias Levaduras Hongos Microalgas Células las animales in vitro 20-40

11 Factores ambientales que afectan µ Temperatura µ óptima T C Sicrófilos 0 a 15 mesófilos 20 a 45 termófilos 50 a 75

12 Factores ambientales que afectan µ ph (Conc de H + ) µ óptimo Levaduras 3,5 a 5,5 bacterias 6a75 7,5 ph

13 Factores ambientales que afectan µ dx = dt µ X Sustrato Biomasa Producto

14 Relación entre µ y S (Monod) µ µ max µ = µ K max S S + S µ max 2 K S S Efecto de Monod se aprecia para S del orden de K S

15 Nutriente Organismo K S (mg/l) limitante Glucosa E.coli 3 A.niger S.cerevisiae 5 25 Lactosa E.coli 20 Ribosa H.polymorpha 3 Metanol H.polymorpha 120 Amoníaco E.aerogenes 0.1 Mg ++ E.aerogenes = SO 4 E.aerogenes 3

16

17 Cinética de consumo de nutrientes Rendimiento de nutriente en células: Y X/S = masa celular producida = ΔX nutriente consumido -ΔS ds dt Y X S = dx dt ds dt = μx Y X S

18 Cinética de consumo de nutrientes Rendimiento i de nutriente ti t encélulas: l El rendimiento es función de la velocidad específica de crecimiento μx Y X S μx Y = 0 X S + mx 1 Y X S = 1 Y + m 0 X S 1 μ

19 Cálculo de Rendimiento El rendimiento se obtiene experimentalmente o se estima en base a los % de los elementos en el sustrato y en la célula Y x / S = % E en S % E en Cel Para E = Carbono se incorpora factor de 0,6 aerobio o 0,1 anaerobio

20 Cálculo de Rendimiento Cálculol de rendimiento i de nutriente ti t encélulas: l Y X/S = % elemento en el nutriente % elemento en biomasa Cálculo de rendimiento de fuente de carbono y energía en células: Y X/S = % elemento en el nutriente f %elementoenbiomasa Metabolismo aerobio: f Metabolismo anaerobio: f 0.1

21 Composición Celular Elemento % en peso, base seca bacterias levaduras mohos Carbono Nitrógeno Oxígeno Hidrógeno Fósforo Potasio Azufre Magnesio

22 Rendimiento Celular Compuesto Y X/S exp. Y X/S teórico (f= 0.55) Glucosa Fructosa Glicerol Metanol Maltosa Acetato

23 Diseño de Medios de Cultivo Consiste en determinar la concentración de todos los sustratos que aportan los nutrientes necesarios para el crecimiento celular Se debe conocer: La concentración final e inicial de células Los sustratos para cada nutriente El rendimiento en células de cada sustrato S = S + 0 f X f X 0 Y x / s

24 Diseño de Medios de Cultivo Sustrato limitante: es aquel compuesto que hace que el crecimiento se detenga Es decir, S f = 0 cuando X = X f Para diseños de medios de cultivos se elige un sustrato limitante Los demás sustratos se colocan en un % de exceso

25 Ejemplo Medio de Cultivo F de C: Glucosa 20g/ g/l F de N: (NH 4 ) 2 SO 4 7 g/l Si los rendimientos en células son : para glucosa 0,48 y para sulfato de amonio 2,1 Y además X 0 es 1 g/l Que concentración de células se alcanzará? Cuál es el sustrato limitante?

26 Cinética de formación de Productos Rendimiento de Sustrato en producto ΔP Y P = S ΔS Producto generado Sustrato consumido Estructurados: consideran todas las reacciones del metabolismo involucradas Modelos No estructurados: ajuste estadístico de No estructurados: ajuste estadístico de resultados experimentales

27 Cinética de formación de Productos Productividad Volumétrica = masa de producto Volumen tiempo Productividad Volumétrica Global de células ΔX Q x = Δt de producto Q P ΔP = Δt Específica por unidad de células q p / X = ΔP P X Δt

28 Cinética de formación de Productos Rendimiento de sustrato en producto: Y P/S = masa producto formado = ΔP nutriente consumido -ΔS Rendimiento de fuente de C y E en producto: Y 0 P/S = masa producto formado = ΔP fuente de C y E consumido (-ΔS) P

29 Cinética de formación de Productos Productividad id dvolumétrica Q = masa obtenida Tiempo x Volumen Q X = dx/dt Q P = dp/dt Productividad específica q P = masa de producto Tiempo x masa células q P = (dp/dt)/x

30 Cinética de formación de Productos Modelo de Luedeking y Piret dp dt = α µ X + β X α y β son constantes del producto P es la concentración del producto (Ejemplo: etanol, lisina, i alginato, etc.)

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