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SISTEMA DE CULTIVO BATCH

Cuando se siembran microorganismos en un medio de cultivo apropiado, estos comienzan a multiplicarse a expensas de los nutrientes hasta que, finalmente, el crecimiento se detiene por agotamiento de alguno de los componentes del medio de cultivo (sustrato limitante) o bien por acumlación de inhibidores. Un cultivo de esta naturaleza, en el cual una cierta cantidad demicroorganismos es sembrada en un volumen dado de medio de cultivo, se conoce como Cultivo en batch, su empleo es muy frecuente peso no es el único, ya que existen otros métodos para cultivar microorganismos, por ej. el Batch alimentado y el Cultivo continuo.

Cultivo en Batch

La evolución del cultivo en el tiempo, sigue una curva típica la cual recibe el nombre de “curva de crecimiento enbatch”. Los sucesos que tienen lugar durante la misma pueden separarse en cuatro fases perfectamente diferenciables. En primer lugar existe una fase donde prácticamente no hay división celular pero sí aumento de la masa individual de los microorganismos (fase “lag” o fase de retardo). Le sigue una etapa donde el crecimiento ocurre a velocidad específica () máxima y constante = m (faseexponencial). Al final de esta fase se alcanza la máxima concentración microbiana. Posteriormente hay un rápido período de desaceleración donde   0 y se entra en la fase estacionaria la cual es causada por agotamiento de algún nutriente (el sustrato limitante) o bien por acumulación de inhibidores. Durante esta fase la concentración microbiana (o de biomasa) permanece constante. Finalmente se llega a unaúltima etapa donde la concentración de biomasa disminuye por autolisis o como consecuencia del metabolismo endógeno (fase de decaimiento).
La duración de cada una de estas fases es función del microorganismo en estudio y de la composición del medio de cultivo. En particular la fase lag depende además de la fase de crecimiento en que se encuentran las células en el momento de ser sembradas y de lacomposición del medio de cultivo en que fueron crecidas. Si éste es igual a la composición del medio en que se van a sembrar y las células están en fase exponencial, la duración de la fase lag, en general se acorta y puede llegar a desaparecer, lo cual es deseable ya que constituye tiempo perdido.
La descripción matemática (modelado) de las cuatro fases descriptas es sumamente compleja y escapaa los fines de esta guía, por lo que sólo veremos una más simple que sólo contempla la fase exponencial y la estacionaria.
De la definición de  obtenemos

rx =  . x (12)

donde x = concentración de biomasa. Hemos visto que  varía durante el cultivo, siendo un valor constante y máximo en la fase exponencial (m) y nulo en la estacionaria. Monod ha propuesto una relación muy simple entreel valor de  y la concentración de sustrato limitante, S, entendiéndose por éste al componente del medio de cultivo que esté en menor proporción respecto de las necesidades del microorganismo. Por tanto S puede ser la fuente de N, de C, algún aminoácido, etc. La ecuación es:

 = m (13)

A KS se la conoce como Constante de Saturación, y da una idea de la afinidad que tiene elmicroorganismo por el sustrato en cuestión. A menor KS mayor afinidad. Normalmente KS tiene valores muy pequeños (10-2 - 10-3 g/l) por lo que concentraciones relativamente pequeñas de S son suficientes para hacer que:

 = m (14)

Reemplazando la ec. (13) en (12) queda:

rx = m . x (15)

Al principio del cultivo todos los nutrientes estarán en exceso, y en particular el sustrato limitantetambién, por lo que la ex. (15) se reduce a (fase exponencial)

rx = m x ; o bien: = m . x (16)

La ec. (16) es fácilmente integrable y si hacemos a t = 0; x = xo (concentración inicial de microorganismos) queda:

ln x = ln xo + m t (17)

o bien

x = xo em t (18)

Por tanto en esta fase la concentración de biomasa aumenta exponencialmente, y también lo hace rx ya que...