Balance de materia en bioprocesos

BALANCE DE MATERIA EN BIOPROCESOS

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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.

•

SISTEMA ESTACIONARIO
• Cuando todaslas 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

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

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 decultivo es el tiempo transcurrido desde la inoculación.

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.

Cultivode 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.

Métodos de cuantificación del crecimiento microbiano

Método

Fundamento

Observaciones

Conteo directo No Recuento en celda de células Requiere células individuales NefelometríaN.M.P. Peso Seco Turbimetría Vol. empacado Físico Químicos Conteo directo No RCI Influencias de las condiciones de incubación de células Dispersión de luz Requiere cultivo homog. y traslúcido Estadístico Transmisión de luz Centrifugación Variados indirectos RCI y medio limpio RCI y medio limpio Poco preciso

∆η, pH, análisis de Comp. celulares, etc
Gran cantidad de datos analíticos

Balancede masa Conservación de masa

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

μ =

X

X = Xo. eµ.t

1 dX d(lnX) . = X dt dt

=

Δ(lnX) Δt

Ln X

µ

t

t

Se estudia el crecimiento celular de un microorganismo obteniendo los siguientes datos

t dias 0 0.2 0.5 1 1.5

X celulas/ml 4.50E+05 5.20E+05 36.50E+05 8.10E+05 1.22E+06 3.5 4 4.5 3.55E+06 4.02E+06 3.77E+06 2.20E+06 2 2.5 1.77E+06 2.13E+06

a) Calcular la velocidad específica del crecimiento celular durante la fase de crecimiento b) El tiempo de duplicación del cultivo

4.5E+06 4.0E+06 3.5E+06 3.0E+06 2.5E+06

16 15.5 15 14.5 14 13.5 13 12.5 12 0 1 2 3 4 5 Tiempo (dias)

2.0E+06 1.5E+06 1.0E+06 5.0E+05 0.0E+00

Ln X

X

15.515 14.5

Ln (X)

14 13.5 13 12.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Tiempo (dias) 3 3.5 ln X = 13.01+0.67 t R2 = 0.99

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

SUSTRATO

Fuente de NBiomasa o células (I)

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

Coef. Estequiom. 95% 1 0.5 0.5 0.5 0.2 0.3

N O H P

20 14 8 3 1 1

Ca Mg Cl Fe Otros

K

Composición de la bacteria Escherichia coli

S

Calculo de Coeficientes
CwHxOyNz + aO2 + b HgOhNi  c CHON +dCO2 + eH2O Balance de C...