Microbiologia General. Trimestre 16-P

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1 Microbiologia General Trimestre 16-P

2 7.FORMULACIÓN Y BALANCE DE MEDIOS DE CULTIVO

3 ANÁLISIS DIMENSIONAL Definiciones y fundamentos Una cantidad que se mide tiene un valor (número) y una unidad: es fundamental escribir la unidad en que se mide el valor: 2 metros (2 m) 5 segundos (5 s) 4 kilos (4 kg) valor unidad Dimensión propiedad que se mide: longitud, masa, tiempo En qué se miden las dimensiones? Longitud: cm, m Masa: kg, g tiempo temperatura

4 ANÁLISIS DIMENSIONAL Las unidades pueden tratarse como variables algebraicas al sumar, restar, multiplicar o dividir cantidades: Suma o resta SOLO SI las unidades son iguales: 3 cm 1 cm = 2 cm 3 cm 1 mm =? Multiplicación o división SIEMPRE pueden combinarse: 10 mg/2 L = 3 m x 4 m = 5 mg/l 12 m 2 7 km x 4 h = h 6 g = 2 g 28 km 3 cantidad adimensional

5 CONVERSIÓN DE UNIDADES Una cantidad puede expresarse en cualquier unidad con la dimensión adecuada: [L]/[t] ft/s millas/h km/h cm/año Para convertir una cantidad de una unidad a otra diferente se multiplica la 1ª cantidad por un factor de conversión = unidad nueva/unidad anterior P. ej. para convertir 36 mg a su equivalente en gramos (g): 36 mg x 1 g = g 1000 mg Se cancelan los mg y la cantidad queda en g

6 CONVERSIÓN DE UNIDADES Otra alternativa para expresar lo anterior es: 36 mg 1 g 1000 mg = g Ecuación dimensional Escribir la unidades así, es la mejor opción para evitar el error de multiplicar en vez de dividir y viceversa En el ejemplo, sabemos que el resultado es correcto por que se cancelan los mg y solo quedan g Si acomodamos de manera incorrecta los valores con sus respectivas unidades resultado incorrecto 36 mg 1000 mg 1 g = mg 2 /g

7 EJEMPLOS 1. A cuantos km/h equivalen 50 m/seg? 50 m 1 km 3600 seg = 180 km seg 1000 m 1 h h 1 km = 1000 m 1 h = 3600 seg 2. A cuantos m 3 /s equivalen 2000 L/min? 2000 L 1 m 3 1 min 0.03 m3 = min 1000 L 60 seg seg 1 m 3 = 1000 L 1 min = 60 seg 3. Cuántos g de nitrógeno (N) hay en 20 g de biomasa (BM)? 20 g BM 10 g N = 2.0 g N 100 g BM N en BM = 10%* *10 g de N por cada 100 g de BM

8 7.FORMULACIÓN Y BALANCE DE MEDIOS DE CULTIVO

9 MEDIOS DE CULTIVO Material nutritivo que provee los nutrientes esenciales para que un microorganismos crezca y se multiplique en un cultivo Un medio de cultivo bien diseñado debe contener: Agua Fuentes de C, N y energía Macronutrientes: P, S, K y Mg Micronutrientes: Fe, Ca, Mn, Zn, Cu, Co y Mo Factores de crecimiento: vitaminas, aa, bases nitrogenadas Crecimiento y función de las células: depende de estos componentes Formulación de un medio de cultivo se basa en la composición química de una célula microbiana

10 MEDIOS DE CULTIVO Agua destilada Fuentes de C (azúcares) y N (sales) Macronutrientes Ajuste de ph Micronutrientes Factores de crecimiento (vitaminas, peptonas, extractos) Esterilización (15 lb/plg 2, 15 min) Inoculación Agente solidificante Incubación

11 FORMULACIÓN DE UN MEDIO DE CULTIVO Objetivo del diseño de un medio de cultivo para un microorganismo en particular: proporcionar una mezcla equilibrada de los nutrientes requeridos, en concentraciones que permitan un buen crecimiento Las cantidades y naturaleza de los constituyentes de un medio están determinadas por: Composición de la biomasa Rendimientos de crecimiento Productos Tasa de crecimiento

12 RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO Crecimiento microbiano Un microorg. en un medio de cultivo adecuado, produce nuevos microorgs. usando los nutrientes del medio número de células El crecimiento se detiene cuando: Se agota algún nutriente del medio (sustrato limitante) Se acumulan productos microbianos que lo inhiben La cantidad final de microorg. (biomasa) depende de la concentración y composición del medio de cultivo estequiometría del crecimiento (necesario conocer rendimientos)

13 RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO Un rendimiento (Y) se define como la relación entre el PRODUCTO obtenido y el SUSTRATO consumido Rendimiento celular (???): (fuente de C) Y X/S = ΔX = Biomasa producida [g BM] ΔS Sustrato consumido [g S] X: biomasa S: sustrato Si además de biomasa (microorganismos) se forma un producto, el rendimiento de producto está dado por: Y P/S = ΔP = Producto formado [g] ΔS Sustrato consumido [g]

14 RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO 50% Y P/S Productos Metabolitos + CO 2 + H 2 O + Sustrato (fuente de C) + N + O 2 + micronutrientes + factores de crecimiento 50% Y X/S Biomasa C n H x O y N z ~50% del sustrato carbonado Aerobio ~10% del sustrato carbonado Anaerobio

15 El rendimiento celular (Y X/S ) solo se usa para la fuente de carbono y no para las fuentes de otros elementos??? En el metabolismo común, solo la fuente de carbono es utilizada para la producción de biomasa + metabolitos 50% Y X/S Biomasa C n H x O y N z Fuente de C 50% Y P/S Producto Metabolitos s + CO 2 + H 2 O + En general, el resto de los elementos solamente se utiliza para producción de biomasa Fuente de N ~100 % Biomasa C n H x O y N z

16 CONSIDERACIONES BÁSICAS Composición elemental (C, N, H, O) de la biomasa microbiana punto de partida para los cálculos estequiométricos Por cada 100 g de biomasa seca (%) C 50 N 10 P 5 S 3 H 8 O 20 Rendimiento celular (biomasa) Y X/S = ΔX = X prod ΔS S cons Y X/S Aerobio 0.5? Y X/S Anaerobio % del S consumido se convierte en BM 10% del S consumido se convierte en BM Otro elemento fundamental análisis dimensional

17 EJEMPLO 1 Se desea producir 800 Kg de biomasa. Considerando que se consume todo el sustrato carbonado y que el rendimiento celular (Y X/S ) es de 0.47 [kg X/kg S], estime la cantidad de glucosa que se debe adicionar al medio 1. Datos necesarios Y X/S = 0.47 X prod. (ΔX) = 800 kg Sustrato cons. (ΔS) =? 2. Cuánta glucosa necesitamos? (PM = 180 g/mol) Y X/S = BM producida (ΔX) S consumido (ΔS) 0.47 kg X = 800 kg X kg S ΔS (kg S) ΔS = 800 kg BM 0.47 kg BM/kg S S cons (ΔS) = kg S

18 EJEMPLO 2 Se desea producir biomasa en condiciones aerobias utilizando un medio con 30 g/l de glucosa. Calcule: (a) Cuánta biomasa se produce si se consume toda la glucosa?, (b) Cuánto C aporta la glucosa consumida?, (c) Cuánto N, P y S debe adicionarse?, (d) Cuál es la relación C/N del medio? 1. Datos necesarios Rendimientos: Y X/S = 0.5 g X/g S, donde S glucosa (PM = 180 g/mol) C = 50%; N = 10%; P = 5% Y X/S = ΔX = BM prod 2. Calculamos la BM que se produce a partir de 30 g de Gluc (a): ΔS S cons ΔX Y X/S = ΔX = ΔS * Y X/S = (30 0) ΔS g S * 0.5 g X L g S ΔX = 15 gx/l

19 b) Cuánto C aporta la glucosa consumida? Glucosa C 6 H 12 O 6 (PM = 180 g/mol) 6 moles de C (PM = 12 g/mol) Entonces, en 180 g de glucosa (1 mol), 72 g son de C Tenemos 30 g/l de glucosa cuantos g de C? C (g) = 30 g Glu 72 g C 1 L 180 g Glu = 12 g/l de C

20 c) Calcular qué cantidad de N, P y S debe adicionarse para producir 15 g/l de biomasa C 50% N (g) = 15 g X 10 g N 1 L 100 g X = 1.5 g/l de N N 10% P 5% S 3% P (g) = 15 g X 5 g P 1 L 100 g X = 0.75 g/l de P S (g) = 15 g X 3 g S 1 L 100 g X = 0.45 g/l de S

21 d) Cuál es la relación C/N del medio? C (g) = 30 g Glu 72 g C 1 L 180 g Glu = 12 g/l de C N (g) = 15 g X 10 g N 1 L 100 g X = 1.5 g/l de N Entonces, para calcular la relación C/N se divide el la cantidad de C entre la cantidad de N en el medio: C/N = 12 g C 1.5 g N = 8 gc/gn

22 EJEMPLO 2A A partir de los requerimientos de N, S y P calculados, calcula la cantidad de fuente de cada elemento que se requiere 1. Fuentes de cada elemento: N (NH 4 ) 2 SO 4 (PM = 132 g/mol) Cont. de N = 14 (x 2) g/mol (NH 4 ) 2 SO 4 (g) = 1.5 g N 132 g (NH 4 ) 2 SO 4 1 L 28 g N = 7.1 g/l de (NH 4 ) 2 SO 4 S (NH 4 ) 2 SO 4 (PM = 132 g/mol) Cont. de S = 32 g/mol (NH 4 ) 2 SO 4 (g) = 0.45 g S 132 g (NH 4 ) 2 SO 4 1 L 32 g S = 1.9 g/l de (NH 4 ) 2 SO 4

23 EJEMPLO 2A P KH 2 PO 4 (PM = 136 g/mol) Cont. de P = 31 g/mol KH 2 PO 4 (g) = 0.75 g P 136 g KH 2 PO 4 1 L 31 g P = 3.3 g/l de KH 2 PO 4 2. Una vez que calculamos la cantidad de BM producida, podemos determinar la cantidad de la fuente de cada elemento en un solo paso (p.ej.): BM producida P en BM Contenido de P en KH 2 PO 4 15 g BM 5 g P 136 g KH 2 PO 4 KH 2 PO 4 (g) = = 3.3 g/l de KH 2 PO 4 1 L 100 g BM 31 g P 0.75 g de P

24 EJEMPLO 3 Se cultivó Candida utilis en un medio con 15.2 g/l de glucosa (S 0 ). La concentración inicial de células (X 0 ) fue de 0.5 g/l. Después de 9.5 h, se consumió toda la glucosa (S f = 0), se produjeron 0.18 mol/l de CO 2 y la BM alcanzó un valor de 6.1 g/l (X f ). Calcule: (a) La biomasa producida (b) El rendimiento celular del cultivo (Y X/S ) (c) El rendimiento para la producción de CO 2 (Y CO2/S ) (d) La cantidad de (NH 4 ) 2 SO 4 para producir la BM calculada en (a) (e) La relación C/N del medio 1. Datos necesarios para (a)-(c): S 0 = 15.2 g/l X 0 = 0.53 g/l S f = 0 g/l X f = 6.07 g/l CO 2 prod = mol/l (PM = 44 g/mol) Y X/S = ΔX = X f - X 0 ΔS S 0 - S f

25 (a) Biomasa producida??? ΔX = X f - X 0 ΔX = 6.07 [g/l] [g/l] ΔX = 5.54 g X/L (b) Y X/S Y X/S = ΔX = X f - X 0 ΔS S 0 - S f Y X/S = X f - X 0 = S 0 - S f 5.54 [gx/l] [gs/l] Y X/S = 0.36 g X/g S El 36% del sustrato consumido (DS) se usó para producir BM (c) Y CO2/S (Y P/S ): Y P/S = Primero hay que convertir el CO 2 de [mol] a [g]: ΔP = P f - P 0 ΔS S 0 - S f CO 2 (g) = mol 44 g = 7.88 g CO 2 /L 1 L 1 mol

26 Y CO2/S = CO 2(f) - CO 2(0) = S 0 - S f [gco 2 /L] [gs/l] = 0.52 gco 2 /gs El 52% del sustrato consumido (ΔS) se uso para CO 2 (producto) (d) (NH 4 ) 2 SO 4 necesario para producir la BM producida? Datos necesarios para resolver (d) Fuente de N y S: (NH 4 ) 2 SO 4 PM = 132 g/mol N = 28 g/mol S = 32 g/mol BM producida (ΔX) = 5.54 g Composición de la BM (%): C, 50; N, 10; P, 5; S, 3

27 BM producida N en BM Contenido de N en (NH 4 ) 2 SO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 (g) = 5.54 g X 10 g N 132 g (NH 4 ) 2 SO 4 1 L 100 g X 28 g N 0.55 g de N = 2.61 g/l (NH 4 ) 2 SO 4 para N (NH 4 ) 2 SO 4 para S (NH 4 ) 2 SO 4 (g) = 5.54 g X 3 g S 132 g (NH 4 ) 2 SO g X 32 g S = 0.68 g/l

28 (e) Relación C/N Necesitamos saber cuánto C y cuánto N contienen las fuentes de C y N adicionadas En 132 g de (NH 4 ) 2 SO 4 (1 mol) hay 28 g de N (2 moles) g N = 2.61 g (NH 4 ) 2 SO 4 28 g N 1 L 132 g (NH 4 ) 2 SO 4 = 0.55 g N/L En 180 g de C 6 H 12 O 6 (1 mol) hay 72 g de C (6 moles) g C = 15.2 g C 6 H 12 O 6 72 g C 1 L 180 g C 6 H 12 O 6 = 6.08 g C/L Entonces la relación C/N del medio es: C/N = 6.08 g C 1 L 1 L 0.55 g N = 11.1 gc/gn