BALANCE DE MATERIA EN BIOPROCESOS.

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1 BALANCE DE MATERIA EN BIOPROCESOS

2 ALREDEDORES ALREDEDORES SISTEMA Sistema cerrado proceso discontinuo Sistema abierto proceso continuo Sistema se encuentra separado de los alrededores, los cuales son el resto del universo. El limite del sistema puede ser real como las paredes de un fermentador o imaginario.

3 SISTEMA ESTACIONARIO Cuando todas las propieades del sistema como son temperatura, presion, concentracion, volumen, masa, etc no varian con el tiempo. ECUACION GENERAL DE BALANCE DE MATERIA Entrada - salida + generación consumo = acumulación Sistema continuo en estado estacionario Cuando Acumulación = 0 Entrada + generación = Salida + consumo

4 CUANTIFICACION DEL CRECIMIENTO MICROBIANO Estudio cuantitativo de la cinética de fermentaciones. Métodos experimentales sencillos para determinar el crecimiento de poblaciones microbianas Considerar el modo de reproducción de las células

5 Las células procarióticas bacterianas se reproducen por fisión binaria sin que sea posible diferenciar una célula madre de una célula hija. Edad máxima c/célula es el lapso comprendido entre dos replicaciones sucesivas Edad de cultivo es el tiempo transcurrido desde la inoculación.

6 Las bacterianas se presentan en forma individual o en asociaciones débiles de pocos individuos,pudiendo ser dispersadas homogéneamente en el medio de cultivo Las eucarióticas como levaduras se desarrollan en células individuales fácilmente dispersables que se reproducen por gemación produciendo una célula hija y una célula madre.

7 Cultivo de levaduras es heterogéneo en cuanto a la edad y por lo tanto el estado fisiológico de las células que lo componen. Los hongos por crecimiento apical formando hifas Características reológicas nonewtonianas.

8 Métodos de cuantificación del crecimiento microbiano

9 Método Fundamento Observaciones Conteo directo No Recuento en celda de células Requiere células individuales Nefelometría N.M.P. Peso Seco Conteo directo No RCI Influencias de las condiciones de incubación de células Dispersión de luz Requiere cultivo homog. y traslúcido Estadístico RCI y medio limpio Turbimetría Transmisión de luz RCI y medio limpio Vol. empacado Centrifugación Poco preciso Físico Químicos Variados indirectos η, ph, análisis de Comp. celulares, etc Balance de masa Conservación de masa Gran cantidad de datos analíticos

10 dx = µ.x dt X X 0 dx X t = µ. dt 0 X = Xo. e.t 1 dx d(lnx) Δ(lnX) μ=. = = X dt dt Δt

11 μ = X X = Xo. eµ.t 1 dx d(lnx). = X dt dt = Δ(lnX) Δt Ln X µ t t

12 Se estudia el crecimiento celular de un microorganismo obteniendo los siguientes datos t X dias celulas/ml E E E E E E E E E E E+06 a) Calcular la velocidad específica del crecimiento celular durante la fase de crecimiento b) El tiempo de duplicación del cultivo

13 4.5E E E E+06 X 2.5E E E E E E Tiempo (dias) 4 5 Ln X 14.5

14 Ln (X) ln X = t R2 = Tiempo (dias) 3 3.5

15 Estequiometría del crecimiento El crecimiento de las células obedece la ley de Conservación de Energía y Materia Los átomos de (C), (O), (N) y otros elementos consumidos durante el crecimiento se incorporan a las nuevas células o se expulsan como productos

16 SUSTRATO Fuente de N Biomasa o células CwHxOyNz + ao2 + b HgOhNi c CH O N +dco2 + eh2o a, b, c, d y e Aprox. macroscópica C,H,O y N C 50 Na W=6, X=12, Y=6 y Z=0 N 20 O H 14 8 P Coef. Estequiom. 95% 1 Ca Mg 0.5 Cl Fe 0.2 S 1 Otros 0.3 K 1 Composición de la bacteria Escherichia coli (I) 0.5

17 Calculo de Coeficientes CwHxOyNz + ao2 + b HgOhNi c CH O N +dco2 + eh2o Balance de C Balance de H Balance de O w = c + d x + b g = cα + 2e : : y + 2a + bh = cβ + 2d + e Balance de N COEFICIENTE RESPIRACION z + bi = δc : (i) : ii) (iii) (iv) (I) a b c d e Moles deco2 producidosd RQ= = Moles de O2 consumidos a Debemos estar seguros que el sustrato no se utiliza para sintetizar otros productos extracelulares que no sean CO2 y H2O Resolviendo el sistema de ecuaciones Lineales

18 Las bacterias tienden a tener contenidos de nitrogeno ligeramente mayores (11-14%). Los hongos tiene (6.3 9%) Cuando no se dispone de la composición puede utilizarse como formula general : CH1.8O0. 5N1.2 este es el peso molecular medio de la biomasa basado en los contenidos C,H,O,N es por lo tanto 24.6, aunque existe normalmente un 5-10% de ceniza residual que no se incluye en la formula.

19 14 y = x R 2 = C{e lula s [g/l] Sustra to [g/l] 30

20 Rendimiento de biomasa ( Yx/s) DURANTE el CRECIMIENTO existe una relación lineal entre [Biomasa] producida y el [Sustrato] consumido g células producidas Yx/s = g sustratoconsumido MWCélulas Yx/s = c MWSustrato Yx/s = k durante el crecimiento, su valor deter. experim. puede utilizarse para calcular el coef. estequiom. C Mw = peso molecular. Para utilizar esta ecuación el sustrato no se debe utilizar para sintetizar otros productos que no sean CO2 y H2O.

21 Estequiometría del producto (II) CwHxOyNz + ao2+ b HgOhNi cchαoβnδ +dco2+eh2o + fcjhkolnm SUSTRATO Fuente de N Biomasa Producto Rendimiento de producto a partir del sustrato: Yp/s Yp/s Y p/s g producto formado = g sustrato consumido MW = f MW P roducto Sustrato

22 Se debe asegurare de que el sistema experimental utilizado para medir Yp/s corresponde a la ecuación (II) No puede aplicarse a la producción metabólica secundaria como la fermentación de la penicilina Formación de producto debe estar asociado directamente con el crecimiento celular

23 Balance de electrones y grado de reducción [H2O]= k Balances de H y O pueden presentar dificultades Conservación de potencia reductora o electrones disponibles Si no se conoce la composición de las celulas el B puede tomarse como 4.2 Electrones disponibles Al número de electrones disponibles para transferir al O2 en la combustión del sustrato a CO2, H2O y compuestos que contengan nitrógeno

24 Se calcula a partir de la valencia de su elementos C 4 H 1 O -2 P 5 S N 6-3 NH3 0 N2 5 NO3

25 CwHxOyNz + ao2+ b HgOhNi cch O N +dco2+eh2o + fcjhkolnm Se define como el número de equivalentes de electrones disponibles en aquella cantidad de materia que contenga 1 g átomo de carbono Origen Fórmula # de electrones disponibles Grado de reducción Biomasa CHαOβNδ 4 + α - 2β - 3δ 4+α -2β-3δ Sustrato Cw Hx O y Nz 4w + x - 2y - 3z (4w + x 2y-3z)/w Producto CjHkOlNm 4j + k - 2l 3m (4j + k - 2l - 3m)/j

26 Composición elemental y grado de reducción para algunos microorganismos (en relación al NH3)

27

28 BALANCE DE MASA Y ENERGIA Demanda teórica de oxigeno La demanda de oxígeno (a) está directamente relacionado con los electrones disponibles O2 es el sustrato limitante en las fermentaciones aeróbicas Cuando existe síntesis de producto, como el representado por la ecuación (II) el balance de electrones es:

29 Demanda teórica de oxigeno w γs 4 a = c γb +f j γp (1) a = ¼( w γs - c γb - f j γp) (2) La Ec.(2) es muy útil porque si se conoce el microorganismo (γb), el sustrato (w y γs) y el producto (j y γp) involucrados en el cultivo celular, y el rendimiento de biomasa (c ) y de producto (f), la demanda de oxígeno (a) puede calcularse rápidamente. a puede determ. resolviendo los coef. Esteq.de la ecuación (II). La ec. (2) permite una evaluación más rápida y no es necesario conocer las cantidades de NH3, CO2 y H2O involucrados.

30 Reparto de electrones disponibles en el sustrato Rendimiento máximo posible. 4a w. γ s ( s) + cγ B w. γ s ( B) + fracción de e fracción de e disponibles transf disponibles transf desde el Sust al O2 a la Biomasa w γs c max = γb si todos los e disponibles se utilizaran para la síntesis de biomasa ηb = 1 f.j. γ p = 1 w. γ s ( P) Fraccion de e transferidos al Producto w γs f max = j γp el rendimiento máximo de producto en ausencia de síntesis de biomasa

31 Rendimientos termodinámicos máximos de biomasa

32 Requerimientos nutricionales del Medio de Cultivo para la construcción de una nueva célula esta contenida en los cromosomas. La materia debe ser suministrada a través de los componentes del medio de cultivo. La E se obtiene del catabolismo de la fuente de C de cultivo. Crecimiento microbiano una ecuación química. C, H, O y N y Mg, S, P,Ca, Na y K Otros compuestos a niveles muy bajos y deben ser suministrados como compuestos aptos para ser metabolizados. La fuente de C: Carbohidrato-orgánico, CO2, CO3-2 HCO3-1 (caso de células quimioautotróficas o fotosintéticas). La fuente de N : Amonio, nitrógeno amino de aminoácidos y proteínas, úrea, nitrato o nitrógeno elemental

33 Medios complejos Son formulados en base a desechos, subproductos y extractos naturales. la melaza, licor de maceración de maíz, extracto de levadura y otros Su composición química es compleja y variable. Contiene varias fuentes de cada elemento. Pueden requerir ser suplementados con compuestos que proporcionen cantidades adicionales de algunos elementos, tales como, N, Mg y P Muy utilizados en microbiología básica (taxonomía, fisiología y genética), microb. analítica, producción de algas, alimentos, suelos y en fermentaciones industriales

34 Componentes de medios complejos industriales a nivel industrial Baratos Mejores rendimientos

35 Medios definidos Se formulan en base a compuestos puros, tales como la glucosa, sulfato de amonio, metionina, fosfatos, etc composición química es conocida y reproducible. fuentes de cada elemento y los nutriente esenciales que pueden ser requeridos. investigación y desarrollo de Proceso de fermentación. permiten un mejor control de las condiciones ambientales de crecimiento y producción. resultan más productivas cuando se utilizan medios definidos.

36 Ejemplo de medios definidos

37 Ejercicios resueltos de Balance de Materia Problema 1 Continua.

38 Ejercicios resueltos de Balance de Materia Problema 1

39 Ejercicios resueltos de Balance de Materia Problema 1 Corrida del Programa

40 Ejercicios resueltos de Balance de Materia Ejercicio de Balance resuelto en Excel

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