microorganismos

MICROORGANISMOS INDUSTRIALES

celulas

celulas eucariotas tienen un nucleo diferenciado rodeado por una membrana, y su ADN nuclear esta asociado a proteinas y se encuentra e estructuras definidas llamdas cromosomas, y ademas tambien tienen otras estructuras u organulos con funciones bioquimicas o fisiologicas especificas. por el contrario las procariotas carecen de un nucleo bien definido tambein carecen de organulos especializados existentes en las eucariotas.

microoganismos

los microorganismos tambien se distinguen en funcion de sus necesidades de oxigeno, pudiendo dividirse en los aerobios estrictos, como streptomyces la mayoria de hongos pueden llevar a cabo su metabolismo solo en condiciones con oxigeno atmosferico, los anerobios estricots como clostridia, que unicamente crece en ausencia de oxigeno y los organismoa facultativos que pueden crecer en situaciones aerobias y anerobias.

las bacterias implicadas en procesos de fermentacion son principalmente quimioorganotrofos, es decir que puedenobtener su energia y su carbono por oxidacion de los compuestos organicos.

hongos

tambien son quimoorganotrofos con hifas filamentosas rigidas y ramificadas. los hongos mas importantes implicados en precesos de fermentacion industrial se clasifican principalmente en dos grupos, los zygomycotina (generos Mucor y Rhizopus), y los Deuteromycotina, septados, o fungi imperfecti, por ejemplo los trichoderma, aspergillus, penicillium, aureobasidium y fusarium.

levaduras

son microhongos que se encuentran generalemente en forma de celulasunicas y que se reproducen mediante gemacion. algunas levaduras estan formadas unicamente por celulas indviduales y a veces cadenas cortas, mientras que otras se ecuentran en cierto rango de fromas celulares, incluyando diversos tipos d filamentos. una caracteristica de la poblacion en crecimento es es la presencia de yemas producida cuando la celula se divide.

la levadura mas utilizada en las fermentaciones industriales es Saccharomyces cerevisiae, sobre todo en la produccion de alcohol y en panaderia; esta levadura no degrada la lactosa, por lo que para producir alcohol o biomasa a partir de suero de leche se utiliza Kluyveromyces lactis, que contiene los enzimas necesarios para transportar y degradar la lactosa. otras levaduras importantes industriales son Candida utilis y Endomycopsis fibuliger.

Enzima

compuesto catalizador, son proteinas que actuan con un determinado compuesto(sustrato) para producir un complejo el cual forma el producto de la reaccion,no experimenta cambios en la reaccion. se nombra con terminacion asa+ el sustrato, puede constar de una parte no proteinica(cofactor) que puede ser un ion inorganico o un compuesto organico coenzima, son sensibles al cambio de PH, temperatura y otros compuestos.

Crecimiento celular

el crecimiento de los microorganismos es una parte integral de casi todos los procesos de fermentacion. ya hemos visto que las bcterias se reproducen por fusion binaria produciendo dos celulas hijas del mismo tamaño, mientras que la duplicacion de muchas levaduras se produce por mecanismos de gemacion, los hongos crecen por extension de hifas y la morfologia de suicelo puede variar en funcion del medio ambiente. la morfoligia del crecimiento influye invariablemente en la velocidad de crecimiento y en la fromacion de los productos.

fase de crecimiento:

cuando un organismo se inocula en un volumen de medio dado, el cultivo pasa por una serie de fases, depues de la inoculacion, existe una fase de latencia en la que el organismo se adapta a las condiciones del medio, tras uncierto periodo de tiempo en el que la velocidad de crecimiento de las celulas crece gradualmente, las celulas crecen a velocidad constante maxima, esta fase se denomina exponencial o logaritmica, a medida que el creciemiento continua, los nutrientes se van agotando y ls productos van siendo excretados por el organismo, la velocidad de crecimiento disminuye y finalmente el crecimiento cersa, debido al agotamiento de de un nutriente esencial o a la acumulacion de algun producto toxico; esta fase se denomina estacionaria.

el crecimiento se mide en funcion del incremento de las masa segun la ecuacion

dx

__ =ux-ax

dt

donde: x= concentracion celular(mg cm-3)
t= tiempo de incubacion (h)
u= velocidad de crecimiento especifico(1/h)
a= velocidad especifica de lisis o de metabolisis endogeno(1/h)

Diseño del Fermentador

SISTEMAS DE FERMENTACION

la fermentación puede llevarse a cabo mediante procesos discontinuos, discontinuos alimentados a intervalos o continuos, a por variación de estos procesos. Los cultivos discontinuos pueden considerarse como un sistema cerrado, excepto por la aireación, que contiene una cantidad limitada de medio, en el que inoculado pasa a través de un número de fases.
En el proceso discontinuo todo el sustrato se añade al comienzo de la fermentación, en los procesos discontinuos el sustrato se añade a intervalos a lo largo del proceso.
Lo sistemas discontinuos alimentados a intervalos o continuos, se utilizan en la mayoría de los procesos de fermentación industriales; la principal desventaja de de las fermentaciones discontinuas cuando se utilizan para la producción de productos asociados al crecimiento, es que la formación eficiente del producto tiene lugar durante una fracción del ciclo de fermentación.
Los sistemas continuos con volúmenes de salida de productos elevados pueden ser, en consecuencia, mucho mas eficaces en determinadas aplicaciones en términos de productividad del fermentador (volumen de producción por unidad de volumen por unidad de tiempo, kgm-3 h-1). Las fermentaciones continuas pueden considerarse como un sistema abierto en que el medio se va añadiendo continuamente al biorreactor y se va eliminando simultáneamente igual volumen de medio fermentado. Existen dos tipos principales de reactores continuos, los reactores de mezcla completa y los de flujo pistón.
En un cultivo discontinuo, la concentración de biomasa por unidad de tiempo ( t ) es :

x-XR=Y(SR-s)

Donde x= concentración celular en el tiempo t
XR =inoculo o concentración celular inicial
Y=rendimiento para el substrato limitante ( g de biomasa por g de substrato consumido)
s=concentración de substrato en el tiempo t
SR=concentración inicial del medio

Por tanto
Y=x-XR/SR-s


La cantidad de biomasa alcanzada en la fase estacionaria depende teóricamente de la concentración inicial del substrato limitante del crecimiento y de la eficacia del organismo para convertir el substrato en materia celular. Por tanto suponiendo que el substrato limitante del crecimiento sea S = 0 en la fase estacionaria

Y=x-XR/SR

En un reactor continuo de mezcla completa en una sola etapa, la adición de substrato a una velocidad adecuada combinada con la eliminación a una velocidad volumétrica igual de medio de cultivo del recipiente produce un estado estacionario en el que la formación de biomasa esta en equilibrio con la perdida de células. en estas condiciones :

(a) La velocidad de crecimiento especifico (u)viene controlada por la velocidad de dilución (D) puesto que u = D

(b) La concentración de substrato en estado estacionario , /s en quimostrato viene determinada por la velocidad de dilución , según la ecuación :

/s=KsD/umax -D

Si las cinéticas siguen en el modelo de monod y D (C) La concentración de biomasa en el estado estacionario , /x viene determinada por las variables operacionales SR y D , según la ecuación :



/x=Y[SR- KsD/umax-D]










DISEÑO DEL FERMENTADOR

la función principal de un fermentador es la de proporcionar un medio ambiente controlado que permita el crecimiento eficaz de las células y la formación del producto. El fermentador típico moderno de laboratorio se ha diseñado como una unidad sofisticada con las características y la instrumentación necesarias para llevar a cabo una gran variedad de procesos de fermentación, a la hora de discutir de los fermentadores piloto, están hechos específicamente para unos procesos y lograr una mayor eficacia, en consecuencia tiene características especificas para un proceso de producción en particular.

Condiciones para operar en medio aséptico

muchos biorreactores tiene que trabajar en condiciones asépticas utilizando un inoculo puro del microorganismo y excluyendo los organismos contaminantes; por consiguiente, el biorreactor, al igual que la red de tuberías asociadas, ha sido diseñado como un recipiente a presión de tal forma que tanto el sistema como el medio que contenga puede esterilizarse a la temperatura /presión adecuadas, un mínimo de

121° C/15 así durante 15-30 minutos. Las válvulas utilizadas en las secciones esterilizables deben ser utilizadas en condiciones asépticas. Las válvulas de estrangulamiento y las de diafragma son particularmente adecuadas, puesto que su mecanismo de operación esta separado del medio líquido o gaseoso por un tubo o un diafragma flexible. Los puntos de entrada al recipiente y el proceso para añadir y eliminar gases o líquidos al/del reactor durante la fermentación también deben estar diseñados de forma que mantengan las condiciones asépticas.

No todos los procesos de fermentación necesitan condiciones totalmente estériles; en algunos se reduce simplemente su contaminación por pasterización, mientras que otros dependen realmente de la población microbiana natural, por lo que el diseño del reactor y del equipo necesarios para cada proceso deben simplificarse de acuerdo con esto.