Cinética microbiana

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CINÉTICA MICROBIANA

2.1 Introducción 1
2.2 Estequiometría del crecimiento microbiano 2
2.3 Crecimiento celular, consumo de sustratos y obtención de productos 7
2.3.1 Fases del crecimiento de microorganismos en discontinuo 8
2.3.2 Cinética de consumo de sustrato y formación de producto 13
2.3.3 Modelación del crecimiento celular 16
2.3.4 Influencia de las condiciones ambientalessobre el crecimiento celular 21
2.4 Influencia de las limitaciones difusionales sobre la cinética global. 26
2.4.1 Efecto de la transferencia de materia externa 28
2.4.2 Efecto de la transferencia de materia interna 30

1 Introducción

El objetivo de este tema es ofrecer una serie de conocimientos básicos sobre la cinética de microorganismos que son imprescindibles para unposterior diseño de los fermentadores. El tema incluye tres partes bien diferenciadas:

1. Tratamiento estequiométrico del metabolismo microbiano con la definición de los rendimientos asociados a los procesos de crecimiento celular, consumo de substratos y obtención de productos.
2. Cinética del crecimiento microbiano con la revisión de los principales modelos matemáticos. Se revisan lasfases del crecimiento en discontinuo de los microorganismos y los principales tipos de fermentaciones atendiendo a la velocidad de consumo de sustrato y de formación de productos. También se discute la influencia sobre la cinética de los diferentes aspectos ambientales.
3. Influencia de las limitaciones por transferencia de materia sobre la cinética global de crecimiento celular.

Unafermentación se puede definir como una reacción autocatalítica controlada por el hombre, en la cual una población de microorganismos (inóculo) utiliza un sustrato que transforma en productos y nuevos microorganismos. En la Figura 2.1 se representa esquemáticamente el proceso de crecimiento celular en condiciones aerobias para microorganismos quimiheterótrofos.

Los procesos de crecimientocelular tienen dos manifestaciones diferentes según la morfología del microorganismo implicado:
1. Organismos unicelulares que se dividen mientras van creciendo (bacterias y levaduras). El aumento de biomasa va acompañado de aumento del número de células.
2. Hongos miceliares que en su proceso de crecimiento aumentan de longitud y número de micelios, pero no necesariamente de número deorganismos.

En este tema centraremos nuestra atención sobre el primer caso, los microorganismos unicelulares que en su crecimiento llevan asociado un aumento de población.

Fuente de C (S) + O2 + nutrientes (N,P), minerales ( Masa celular (X) + productos (P) + CO2 + H2O

Figura 2.1.- Representación esquemática del flujo de sustrato

Como veremos, las velocidades a las quetranscurren los procesos de crecimiento celular, consumo de sustrato y/o formación de productos pueden variar ampliamente de un momento a otro del crecimiento, por lo que resulta fundamental conocer la cinética del proceso.

2 Estequiometría del crecimiento microbiano

Los microorganismos son sistemas químicos complejos donde moléculas sencillas son convertidas en polímeros complejos(polisácaridos, proteínas,…). El metabolismo celular es una matriz de dos actividades interrelacionadas: anabolismo y catabolismo. Los procesos anabólicos se refieren a la construcción de materiales celulares (síntesis celular). Estos procesos no tienen lugar de forma espontánea, sino que necesitan un aporte de energía, que para la mayor parte de microorganismos es proporcionado por un conjunto de procesoscatabólicos. La degradación de carbohidratos a CO2 es el más común de estos procesos catabólicos (respiración).

La conexión entre catabolismo y anabolismo depende de la generación de compuestos intermedios que presentan un enlace de alta energía. El más importante es el ATP, la energía liberada en la hidrólisis de este enlace es utilizada de forma directa o indirecta en las etapas...
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