Transcript CRECIMIENTO

PROCESOS DE
FERMENTACIÓN
ÍNDICE:
1.- INTRODUCCIÓN.
2.- MATERIAS PRIMAS Y MEDIOS DE
CULTIVO.
4.- CINÉTICA DE LAS REACCIONES.
5.- SISTEMAS DE FERMENTACIÓN.
1.- Introducción.
1.- INTRODUCCIÓN.
1.1.- Concepto de fermentación.
1.2.- Importancia de la fermentación
en la biotecnología alimentaria.
1.3.- Ejemplos.
1.1.-Concepto de fermentación

Proceso de fermentación:
MICROORGANISMOS
Bacterias, levaduras , hongos
MEDIO DE CULTIVO
CONDICIONES AMBIENTALES
MICROORGANISMO
CO2
PRODUCTO
Intra o extra celular
1.2.- Importancia de la
fermentación en la biotecnología.

Procesos de fermentación en alimentos:
– Naturales o espontáneas (fermentación del
cacao,ensilado, pozol).
– Inoculadas ( vino, yogurt, tempeh).

Procesos de fermentación en medios de cultivo:
– Producción de biomasa (proteína unicelular,
levadura de pan, levadura de cerveza).
– Obtención de metabolitos primarios ( alcohol,
ácidos orgánicos) y secundarios ( enzimas,
polisacáridos).
1.3.- Ejemplos.(I)

TIPOS DE FERMENTACIÓN DE VARIOS MICROORGANISMOS:
Fermentación
Productos
Organismos
Alcohólica
Etanol + CO2
Levadura(Sccharomyces)
Ácido láctico
Ác. láctico
Bacterias del ácido láctico
Ácido mixto
Ác. láctico,acético,etanol, CO2, H2
Bacterias entéricas(Escherichia, salmonella)
butanediol
Butanediol, ác. láctico, acético, etanol, CO2, H2 Bacterias entéricas(Aerobacter, Serratia)
Ácido buritico
Ác. burítico, acético, CO2, H2
Clostridios(Clostridium butyricum)
Acetona- butanol
Acetona, butanol, etanol
Clostridios(Clostridium acetobutylicum)
Ácido propiónico
Ác. propiónico
Levadura(Sccharomyces)
1.3.- Ejemplos.(II)

Fermentación etílica:
– Se transforman los azúcares de las uva en etanol, debido a la
acción de las levaduras.
1.3.- Ejemplos.(III)

Levaduras saccharomyces cerevisiae (principales
responsables de la fermentación alcohólica)
1.3.- Ejemplos.(IV)

Fermentación láctica:
2.- Materias primas y
medios de cultivo.
2.- MATERIAS PRIMAS y
MEDIOS DE CULTIVO.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.
2.2.- Preparación del sustrato.
2.3.- Medios de fermentación microbiana.
2.4.- Medios de cultivo de células animales.
2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento
de células vegetales.
2.6.- Mantenimiento y esterilización.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(I)

CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIOS DE CULTIVO:
– Contener los elementos para la síntesis celular y para la
–
–
–
–
formación de producto
Medio ambiente favorable para el crecimiento y/o
formación del producto.
Económicamente rentable.
Máxima producción.
Adaptación constante al proceso de fermentación.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(II)
– Recuperación del producto.
– Eliminación de la represión catabólica.
– Materiales de fácil disposición en cantidad suficiente.
– Bajos costes de transporte.
– Impedir que las impurezas dificulten la recuperación de
producto.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(III)

INFLUENCIAS DEL MEDIO :
1.- En el crecimiento celular.
2.- En el procesado posterior.
3.- En la fisiología y morfología de los
microorganismos.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(IV)

1.- INFLUENCIA DEL MEDIO EN EL CRECIMIENTO
CELULAR.
– Los microorganismos necesitan:
Carbono
Nitrógeno
Minerales
Factores de crecimiento
Agua
Oxígeno(aerobios)
Microorganismos
Condiciones medioambientales:
pH, Temperatura...
Biomasa
Biosíntesis y
mantenimiento celular
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(IV)
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(V)

Elementos en el medio:Similar a la composición elemental
de los microorganismos.
C
45
H
7
O
33
N
10
S
2,5
Cu, Mn,Co,Mo,B....
Trazas
– La cantidad de carbono necesaria en condiciones aerobias, se
determina por el coef. de rendimiento de biomasa:
c 

Biam asa producida( g )
Substrato carbono utilizado( g )
Factores de crecimiento: aminoácidos, vitaminas o
nucleótidos.(Por necesidad p para aumentar la velocidad de
crecimiento)
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(VI)


2.- INFLUENCIA EN EL PROCESADO
POSTERIOR:
Subproductos
proceso de recuperación más caro y
complejo. (Procesos de purificación de productos y
tratamiento de desechos).

Necesidad de adicionar antiespumantes
Problemas en el procesado de productos asociados con el
crecimiento microiano
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(VII)

3.- INFLUENCIA DEL MEDIO EN LA FISIOLOGÍA Y
MORFOLOGÍA DE LOS MICROORGANISMOS.
Las condiciones relacionadas con el medio que han
demostrado tener influencia en la morfología :
pH
Viscosidad
Cationes
divalentes
Agentes
quelantes
Morfología
Polímeros
anióticos
Presencia de
sólidos
Agentes
tensoactivos
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(VIII)

PH:Las hifas del P. Chrysogenum se vuelven más cortas y gruesas a
medida que el pH es más alcalino, forman gránulos.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(IX)




CATIONES DIVALENTES: inducen el crecimiento en forma de gránulos,
sus efectos pueden contrarrestarse con AGENTES QUELANTES.
– La presencia de cationes influye en la floculación de las levaduras
(importante en su sedimentación y eliminación en la producción de
bebidas alcohólicas no destiladas).
– El manganeso afecta a la composición celular de la pared celular de A.
Niger.
AGENTES TENSOACTIVOS: Algunos aumentan la velocidad de
secrección de los enzimas microbianos extracelular.
NITRÓGENO: niveles bajos inducen la formación de esporas.
AMINOÁCIDOS: niveles elevados inhiben la formación de esporas.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(X)

CONTROL DEL PROCESO:VARIABLES.
1.-PH
2.-ESPUMA
3.-OXÍGENO
4.-TEMPERATURA
5.-REGULACIÓN DE LA FORMACIÓN DE
PRODUCTO.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(XI)
1.-PH:

Control necesario para el desarrollo celular y formación de producto.

Control de forma indirecta o de forma directa:

Directamente (Añadiendo agentes tamponantes):
–
–
–
–

Fosfato inorgánico
pH entre 6.0 y 7.5.
Ácidos orgánicos
pH bajos.
Carbonato cálcico
frente a la producción de ácidos.
Hidroxisales, amoniaco, ácidos sulfúrico y clorhídrico.
Indirectamente ( mediante un balance equitativo entre las fuentes de
carbohidrato y nitrógeno).
– Los carbohidratos
bajan el pH (formación de ácidos orgánicos).
– Asimilación del nitrato
alcalinidad.
– DESVENTAJAS: Efectos represivos sobre la formación del producto.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(XII)
2.- ESPUMA:

ORIGEN:
Desnaturalización de las proteínas en la
interfase gas- líquido.
 PROBLEMAS:
Ascender hasta ocupar totalmente la cabeza
del fermentador.
Evacuar parte del
contenido del aparato por la salida del aire.
 SOLUCIÓN:
Antiespumantes ( agentes tensoactivos que
reducen la tensión superficial de las espumas
hasta dispersarlas ).
Rompedores mecánicos.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(XIII)

ANTIESPUMANTES:
– Eficacia (Depende de las condiciones de fermentación):
 Composición del medio, cepas microbianas, etapa de crecimiento,
configuración de las vías de aireación y del fermentador.
– Selección y cantidad del antiespumante:
 Procedimientos de ensayo y error.
 Uso de soportes(aceites orgánicos y minerales)
 Cantidad de antiespumante mínima ( afecta a la velocidad de
transferencia de oxígeno hasta u 50%)
 No deben ser tóxicos ni peligrosos, esterilizables por el calor y
baratos.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(XIV)
3.- OXÍGENO.
– Requerimientos en procesos aerobios.
– Influencia sobre los procesos metabólicos.
– Velocidad de absorción específica de oxígeno
concentración de oxígeno disuelto
– Antioxidantes como protección del producto.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(XV)
4.-TEMPERATURA:
– Temperatura óptima para la producción celular
o de metabolitos.
– Uso de termostatos
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.(XVI)
5.-REGULACIÓN DE LA FORMACIÓN DEL PRODUCTO.




PERCUSORES
INDUCTORES
– incorporarse al medio el inductor específico
– mediante adiciones continuas o discontinuas
INHIBIDORES:
– minimizar la formación de otros intermedios metabólicos.
– Prevenir el metabolismo posterior al producto deseado
Ejemplos:
– Fuente de N utilizable rápidamente inhibe la producción de algunos
antibióticos.
– El ácido fenilacético es el ppal percusor en la producción de
bencilpenicilina por fermentación.
2.- MATERIAS PRIMAS y
MEDIOS DE CULTIVO.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.
2.2.- Preparación del sustrato.
2.3.- Medios de fermentación microbiana.
2.4.- Medios de cultivo de células animales.
2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento
de células vegetales.
2.6.- Mantenimiento y esterilización.
2.2.-Preparación del sustrato.

OBJETIVOS:
– Evitar el desarrollo de patógenos y alterantes para prolongar
la vida del alimento.
– Favorecer el desarrollo de los microorganismos deseados.
– Hacer accesible el sustrato a los microorganismos que deben
llevar a cabo la transformación.
– Mejorar la textura, el aroma o el sabor del producto final.

EJEMPLOS:
– Adición de proteínas durante la fabricación del yogurt.
– Prensado de la uva( se favorece el acceso al sustrato).
2.- MATERIAS PRIMAS y
MEDIOS DE CULTIVO.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.
2.2.- Preparación del sustrato.
2.3.- Medios de fermentación microbiana.
2.4.- Medios de cultivo de células animales.
2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento
de células vegetales.
2.6.- Mantenimiento y esterilización.
2.3.-Medios de fermentación
microbiana.( I )



Los compuestos petroquímicos ( hidrocarburos,
alcoholes y ácidos)
Cuando el petróleo era
barato
no mucha extensión.
En la actualidad: materias primas renovables que
contienen azúcar y almidón y menos grasas y
aceites.
Futuro: los productos de la hidrólisis de la
lignocelulosa las materias primas más importantes
en los procesos de la fermentación .( La
lignocelulora representa el 50% de la producción
anual mundial de biomasa).
2.3.-Medios de fermentación
microbiana.( II )

CARBOHIDRATOS:
– ALMIDÓN: es el más importante actualmente .
En forma de granos o raices, enteros o molidos, de plantas
como el maíz, arroz, trigo , patatas y mandioc como almidón
purificado, modificado o como dextrinas.
– CELULOSA:
 Presente en la madera combinado con la hemicelulosa y la
lignina en forma de lignocelulosa
 La lignina hace a la celulosa resistente al ataque microbiano
No son rentables los métodos químicos y enzimáticos que
convierten la lignocelulosa en azúcares fermentables. ( Para
obtener champiñones y substrato para producir enzimas
celulolíticas)

2.3.-Medios de fermentación
microbiana.( III )
– SACAROSA:
En forma cristalina o en forma bruta como zumos o melazas (
subproducto de la manufactura de azúcares
más barato
varía
su composición , causando problemas en la reproductibilidad de la
fermentación).
– LACTOSA:



En el suero de la leche ( 4% al 5%).
La baja concentración, , caro su transporte.Solo se utiliza en lugares próximos
a la factoría de quesos proveedora.
– GLUCOSA:
 Se obtiene a partir de la conversión enzimática directa del almidón.
 Glucosa refinada, en forma de jarabe o cristalina para productos de mayor
valor.
– ACEITES VEGETALES ( de soja, palma y semillas de algodón como
complemento delos carbohidratos), METANOL, ETANOL......
2.3.-Medios de fermentación
microbiana.( IV )

NITRÓGENO:
– Fuentes: amoniaco, nitratos, urea, y el nitrógeno presente en los
cereales y raíces y sus subproductos.
– Los aminoácidos purificados
como percusores.

SUBSTRATOS COMPLEJOS:
– Son una fuente barata de carbono, nitrógeno y otros nutrientes.
– Presentes en plantas enteras y subproductos vegetales, animales
y microbianos.
2.3.-Medios de fermentación
microbiana.( V )

Substratos complejos utilizados en los medios de fermentación microbiana.
FUENTE
Cereales enteros
Subpr.derv. plantas
Subp. deriv.animales
Subp deriv microorganismos
INGREDIENTES
Cebada
Cebada malteada
Maiz
Avena
Arroz
Trigo
Melazas
Pulpa de remolacha
Pulpa de agrios (seca)
Harina de germen de maiz
Salvado de arroz
Harina integral de soja
Sangre
Harina de pescado
Harina de hueso
Hidrolizado de levaduras
PROT. CARBOH. GRASA FIBRA CENIZA
11,5
13,0
9,9
12,0
13,0
8,2
3,0
8,9
6,0
22,6
13,0
42,0
80,0
72,0
50,0
52,5
68,0
70,0
69,2
54,0
65,0
69,0
54,0
59,1
62,7
53,2
45,0
29,9
2,5
0,0
1,8
2,0
4,4
4,5
2,0
1,9
0,4
0,6
3,4
1,9
13,0
4,0
1,0
7,5
8,0
0,0
7,0
3,5
2,3
12,0
10,0
2,6
18,3
13,0
9,5
14,0
6,0
1,0
1,0
3,3
1,5
2,5
2,5
1,3
4,0
4,5
1,8
9,0
3,1
6,9
3,3
16,0
6,5
3,0
31,0
10,0
2.- MATERIAS PRIMAS y
MEDIOS DE CULTIVO.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.
2.2.- Preparación del sustrato.
2.3.- Medios de fermentación microbiana.
2.4.- Medios de cultivo de células animales.
2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento
de células vegetales.
2.6.- Mantenimiento y esterilización.
2.4.-Medios de cultivo de células
animales.(I)

SUEROS UTILIZADOS
:
– Suero fetal de ternera como medio de cultivo de células de
mamífero .

INCONVENIENTES: Existencias limitadas y alto precio.
– Sueros de ternera, ternera recién nacida y caballo.

FORMAS DE UTILIZAR LOS SUEROS:
– Suero entre un 5-10% del volumen del medio de cultivo, puede
reducirse al 1-2%.
2.4.-Medios de cultivo de células
animales.(II)

FUNCIONES DEL SUERO EN LOS MEDIOS DE
CULTIVO.
– Proporciona hormonas y factores de crecimiento necesarios para
–
–
–
–
–
–
–
la función celular.
Suministra los factores necesarios para la unión al soporte.
Actúa como agente tamponante.
Se une e inactiva o secuestra compuestos tóxicos.
Contienen proteínas ligadoras que estabilizan y/o transportan
nutrientes y hormonas a la célula.
Suministra nutrientes para el metabolismo de la célula.
Contiene inhibidores de proteasas.
Contiene elementos traza ( Selenio..)
2.4.-Medios de cultivo de células
animales.(III)

TIPOS DE MEDIOS DE CULTIVO:
– BASALES Y BME :(medio basal de Eagle), muy usado en el cultivo de
células de mamífero( especie humana, bovina, equina...)


Tiene concentraciones elevadas de los nutrientes más comunes.
Ideales para estimular la proliferación.
– SUPLEMENTADOS CON NUTRIENTES
INTERMEDIOS:

Para el crecimiento de células de mamíferos secundarios y de líneas
celulares inmortales.
– QUIMICAMENTE DEFINIDOS (medios sin suero):


Para que los científicos investiguen los procesos en cultivos celulares
con el mínimo de influencias extrañas.
Fácil aislamiento y purificación de productos .
2.- MATERIAS PRIMAS y
MEDIOS DE CULTIVO.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.
2.2.- Preparación del sustrato.
2.3.- Medios de fermentación microbiana.
2.4.- Medios de cultivo de células animales.
2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento
de células vegetales.
2.6.- Mantenimiento y esterilización.
2.5.-Medios de cultivo de células
vegetales.(I)

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS MEDIOS DE CULTIVO
DE CÉLULAS VEGETALES:
– Fuente de carbono orgánico.

El más común la sacarosa, también mono y disacáridos como
glucosa, fructosa, maltosa y lactosa.
– Fuente de nitrógeno.

Nitratos, a veces también sales amónicas.

Algunas células necesitan nitrógeno orgánico en aminoácidos (
positivo en las primeras etapas del crecimiento microbiano).
– Sales orgánicas.
– Reguladores del crecimiento.

Hormonas vegetales (auxinas, que inducen la división celular).

Citoquininas ( Regulación del crecimiento en plantas).
2.- MATERIAS PRIMAS y
MEDIOS DE CULTIVO.
2.1.- Criterios utilizados en la
formulación del medio.
2.2.- Preparación del sustrato.
2.3.- Medios de fermentación microbiana.
2.4.- Medios de cultivo de células animales.
2.5.- Medios de cultivo para el crecimiento
de células vegetales.
2.6.- Mantenimiento y esterilización.
2.6.-Mantenimiento y esterilización.(I)
1.- MANTENIMIENTO DE LOS MEDIOS .

El medio de almacenamiento y subcultivo de cepas industriales clave
debe ser diseñado para:
 Conserve las características necesarias que permitan la
capacidad de producción particular.


Minimicen la variación genética.
¿ POR QUÉ UTILIZAR MEDIOS DE MANTENIMIENTO?
CEPAS
METABOLITOS
TÓXICOS
EFECTOS
DESESTABILIZANTES
2.6.-Mantenimiento y esterilización.(II)
2.- ESTERILIZACIÓN DE CULTIVOS.

OBJETIVOS:
– Evitar el desarrollo de microorganismos patógenos.
– Evitar el desarrollo de microorganismos alterantes.
– Incrementar la reproducibilidad del proceso (rendimiento, pureza y
tiempo de producción).

MÉTODOS DE ESTERILIZACIÓN:
– Calor húmedo (autoclave o chorro de vapor).
– Calor seco
– Radiación ( Rayos X ,UV)
– Esterilización química con líquidos o gases.
– Filtración (filtros de superficie o de profundidad).
– Nuevos métodos ( altas presiones, campos eléctricos)
2.6.-Mantenimiento y esterilización.(III)

¿DONDE SE CONTROLA LA ESTERILIDAD?
– Mantener la pureza del inóculo.
– Esterilizar el medio de cultivo y los aditivos.
– Esterilizar el material en contacto con el medio ( recipiente,
fermentador, válvulas y conductos)
– Esterilizar los gases entrantes y salientes.
– Manterner las condiciones asépticas durante la
manipulación.
– Contrucción apropiada del biorreactor para su
esterilización y para la prevención durante la fermentación.
2.6.-Mantenimiento y
esterilización.(IV)
2.6.-Mantenimiento y
esterilización.(IV)
TIPOS DE ESTERILIZACIÓN.
ESTERILIZACIÓN DISCONTINUA
T 121ºC
Tiempos de esterilización mayores(2-3h)
Calentamiento por inyección de vapor
o intercambiadores de calor
Alto consumo de energía.
Alteración y destrucción de nutrientes.
ESTERILIZACIÓN CONTINUA
20-30 segundos a 90-120 ºC
30-120 segundos a 140ºC
20-30 segundos refrigeración
Calentamiento por inyección de vapor
o intercambiadores de calor
Formación de sales insolubles
Tamaño de la partícula restringida a 1-2 mm
Cinética del crecimiento

3.1-¿Qué entendemos por crecimiento?
 3.2-Conceptos básicos
 3.3-Formas de medición del crecimiento
 3.4-Crecimiento en cultivo intermitente

Fases del crecimiento
 3.5-Factores que afectan al crecimiento
3.1-Crecimiento
El crecimiento se puede considerar como el
aumento ordenado de todos los constituyentes
químicos de un organismo.
En organismos unicelulares el crecimiento conduce
a un aumento en el número de células más que un
aumento en el tamaño celular
3.- CINETICA DEL
CRECIMIENTO DE LOS
MICROORGANISMOS
3.2-Conceptos básicos
Generación (n)
Es el número de divisiones celulares que ocurren en un
determinado tiempo en un cultivo microbiano
n
Velocidad de crecimiento:
vc =
t
Es el cambio en el número de generaciones por unidad
de tiempo
Tiempo de generación
Es el tiempo requerido para que a partir de una célula
se formen dos, o sea el tiempo requerido para duplicar
el número de células de una población
El crecimiento puede ser :
-A nivel de individuos dentro de población
CICLO CELULAR
-Crecimiento de poblaciones celulares
CICLO DE CRECIMIENTO
Sª Cerrados
Sª abiertos
viable
Célula microbiana
no viable
Ciclo celular: fisión binaria
Gemación,
ej.
levaduras
Crecimiento de poblaciones
Crecimiento exponencial: es el tipo de crecimiento
de una población donde el número de células
se duplica cada cierto tiempo
3.3- Formas de medición del
crecimiento microbiano
3.3.1- Peso seco celular
3.3.2- Absorción
3.3.3- Peso húmedo
3.3.4- Volumen
3.3.5- Número de células
3.3.6- Mediciones físicas
3.3.1- Peso seco celular
Consiste en dejar secar volúmenes
conocidos de cultivo celular lentamente hasta
que alcancen peso cte. Se mide en g/l
En ocasiones para concentrar las células
se usa el centrifugado o filtrado según la
dificultad.
Es el mas usado
Desventaja: pueden dar grandes errores
en caso de absorción de humedad por las
células secas.
3.3.2- Absorción
Consiste en el uso de celdas espectrofotométricas
pues las células desvían la luz q llega al detector y
esa desviación está relacionada con el nº de
células presentes (o también puede relacionarse
con la densidad ) en la muestra según la Ley de
Beer
3.3.3- Peso húmedo
Consiste en una centrifugación
o filtración seguida del pesado.
Este proceso es extrarrápido, hay
necesidad de estandarizar el proceso ya que
se mide tanto el agua intracelular como el
extracelular ocasionando errores
considerables.
Recuento de viables Filtración por membrana
3.3.4- Volumen
Consiste en la centrifugación en
tubos graduados de tal forma q me
permitan determinar el volumen de
células empacadas.
Es un método bastante inexacto
especialmente para pequeños cambios
de la población celular
3.3.5- Recuento de células
por cámara de Petroff-Hausser
Muestra de cultivo diluído en cámara de volumen pequeño y
conocido (2,5x10-7 ml), recuento de células en numerosos
cuadrados de la cámara. Promedio de células contenidas en
dicho volumen se expresa por ml de muestra (alto error
experimental).
Desventaja: no se pueden distinguir células viable y no viables
3.3.6- Mediciones físicas
El crecimiento de células origina la
generación de calor la cual está
relacionada con la concentración de
biomasa. Es un proceso rápido y no
necesita de muestreo. Se usa para el caso
de biorreactores , pues sino las
variaciones de calor generado son
pequeñas para poder ser mediadas
adecuadamente.
3.4- Crecimiento en cultivo
intermitente
El cultivo intermitente representa el
crecimiento en un sistema cerrado.
Cuando un medio se inocula con
células, tiene lugar una secuencia de
eventos llamado ciclo de crecimiento.
Representaremos el peso seco celular
(X) en g/l contra el período de incubación
en horas (h):
Crecimiento de un
microorganismo en medio
de cultivo líquido
1- Fase de latencia
2- Fase exponencial
3- Fase estacionaria
4- Fase de muerte
Fases de crecimiento
•Fase lag - las células se adaptan al nuevo ambiente, aun no
se dividen
•Fase exponencial (log) velocidad máxima de crecimiento
bajo condiciones particulares, tiempo de generación mínimo
•Fase estacionaria Ésta se caracteriza por ningún
crecimiento neto. De echo el crecimiento puede estar
ocurriendo, pero esta equilibrado por la rapidez de muerte o
lisis celular.
•Fase de muerte - velocidad de muerte celular > velocidad
de división celular
Cinética de crecimiento en
cultivo intermitente
El crecimiento microbiano unicelular
es autocatalítico, es decir la vc es
proporcional a X ya presente. De modo q
durante el crecim exponencial, X aumenta
como sigue:
Xo 2Xo 4Xo 8Xo
nXo
El intervalo de tiempo se llama tiempo de
duplicación (td), de manera que n después
del tiempo t vale t/td y X vale Xo* 2 t/td
Representación aritmética y
exponencial del crecimiento
3.5- Factores que afectan a
la rapidez de crecimiento
Los factores que intervienen son:
- concentración de substrato
- temperatura
- pH
- actividad de agua
- potencial redox,concentrac de oxigeno
- radiación
- presión hidrostática
Efecto de la temperatura
Cada microorganismo tiene una temperatura de
crecimiento adecuada
Si consideramos la variación de la velocidad de
crecimiento (m) en función de la temperatura de cultivo,
podemos observar una temperatura mínima por debajo de
la cual no hay crecimiento (dX/dt = 0); a temperaturas
mayores se produce un incremento lineal de la velocidad
de crecimiento con la temperatura de cultivo hasta que se
alcanza la temperatura óptima a la que m es máxima. Por
encima de esta temperatura óptima, la velocidad de
crecimiento decae bruscamente (µ  0) y se produce la
muerte celular.
Tipos de microorganismos
según la temperatura
Tipode microorg
T mínima
T óptima
Psicrófilo
-5 +5
12 – 15
Psicrótrofo -5 +5
25 – 30
Mesófilo
5 – 15 30 – 45
Termófilo
40 – 45 55 – 75
T máxima
15 - 20
30 - 35
35 - 47
60 - 90
Gráfica
Veloc de
crecimiento
Psicrófilos
Mesófilos
Termófilos
20
40
60
Temperatura (ºC)
80
Efecto del pH
Es un parámetro crítico en el cultivo
de microorganismos ya que estos sólo
pueden crecer en un rango estrecho de pH
fuera del cual mueren rápidamente. El pH
intracelular es ligeramente superior al del
medio que rodea las células ya que, en
muchos casos, la obtención de energía
metabólica depende de la existencia de una
diferencia en la concentración de protones a
ambos lados de la membrana citoplásmica.
Aspectos sobre el pH
•Cada tipo de microorganismo tiene un
rango de pH en el que puede vivir
adecuadamente, fuera de este rango
muere.
•Los rangos de pH tolerables por
diferentes tipos de microorganismos
son, también, distintos.
•El pH interno en la mayoria de los
microorganismos está en el rango de 6.0
a 7.0.
Actividad del agua
Se denomina actividad de agua a la
relación entre la presión de vapor de
agua del substrato de cultivo (P) y la
presión de vapor de agua del agua pura
(P0):
P
aw=
P0
Efecto de la radiación
Las radiaciones ultravioleta (uv), Rayos X y
radiación  producen efectos esterilizantes
(destrucción de microorganismos) al alterar las
proteínas, membranas, ácidos nucleicos y al generar
radicales libres del tipo OH y H. El procedimiento
es similar al descrito para el uso de altas
temperaturas. Hay que considerar, sin embargo, los
poderes de penetración de los diferentes tipos de
radiación. Así, por ejemplo, la radiación uv tiene un
poder de penetración muy bajo y, por consiguiente,
se utiliza para esterilizar superficies, mientras que la
radiación X o la  tiene poderes de penetración
mucho mayores.
Presión hidrostática
Las altas presiones inhiben el crecimiento de los
microorganismos
La razón por la que las altas presiones inhiben
el crecimiento no está clara, aunque se ha visto que se
detiene la síntesis de proteínas y los procesos
catabólicos.
El efecto de la presión sobre el crecimiento de
los microorganismos tiene importancia en el
desarrollo de sistemas de eliminación de
microorganismos en alimentos y en la consideración
de los microorganismos que participan en procesos en
los que aumenta la presión.
Potencial redox:
Concentración de oxígeno
Este es otro factor determinante del
crecimiento y del metabolismo del cultivo. El
potencial redox del medio de cultivo nos indica su
capacidad para aceptar o donar electrones, esto
es: sus características oxidantes o reductoras. Uno
de los factores que intervienen en el potencial
redox, aunque no el único, es la concentración de
oxígeno [O2].
Hay microorganismos que requieren ambientes
oxidantes para crecer, mientras que otros
necesitan ambientes reductores.
Continuación
En general, cuando un microorganismo requiere
un ambiente oxidante se dice que desarrolla un
metabolismo oxidativo (o respirativo) mientras que los
microorganismos que requieren ambientes reductores
(o menos oxidantes) realizan un metabolismo
fermentativo.
Un microorganismo es aerobio cuando necesita
oxígeno para vivir y es anaerobio cuando o bien no lo
necesita o bien cuando muere en presencia de oxígeno
(anaerobios estrictos como los clostridios).
Por otra parte, hay microorganismos que pueden
desarrollar ambos tipos de metabolismo
4. Sistemas de Fermentación
Sistemas de Fermentación

Son formas diferentes de cultivo de
microorganismos con el fin de obtener un
rendimiento deseado
 La velocidad o la calidad del producto son los
objetivos del estudio de la cinética del crecimiento
Factores que Influyen en el
Crecimiento

Son comunes para todos los sistemas:
– Concentración de substrato
– Temperatura
– pH
– Concentración alta de substrato o de producto
Consumo de Nutrientes y
Formación de Producto

Relacionamos el consumo de substrato y la
formación de producto con el crecimiento
de material para cada uno
 Las concentraciones iniciales de substrato o
producto, pueden condicionan la rapidez del
crecimiento
Consumo de Nutrientes y
Formación de Producto

Para el Crecimiento
– Acumulación total = crecimiento – desaparición

Para el consumo de Substrato
– Acumulación de substrato = alimentación de substrato –
crecimiento – formación de producto – requerimientos
para el mantenimiento

Para la formación de producto
– Acumulación de producto = formación - destrucción
Rendimientos de Biomasa y
Producto

Muestran en cada caso la cantidad de
biomasa o producto producido dependiendo
de la cantidad de substrato

Se definen como la cantidad de biomasa o
producto formado por unidad de substrato
Sistemas Discontinuos

Se considera un sistema cerrado, para todo
menos para la aireación

Tiene una cantidad limitada de medio

Se añade todo el substrato al principio de la
fermentación
Cinética de un Sistema
Discontinuo

La concentración de biomasa por unidad de
tiempo es:
x – XR = γ (SR – s)
x = concentración celular en un tiempo t
XR = inóculo o concentración celular inicial
γ = rendimiento para el substrato limitante (g de biomasa por g de
substrato consumido)
s = concentración de substrato en el tiempo t
SR = concentración inicial de medio
Sistema Discontinuo

Ciclo de Fermentación
discontinuo
Sistemas Discontinuos
Alimentados a Intervalos

El substrato se va añadiendo a intervalos durante el
proceso
 Es una variación del sistema discontinuo
 Tiene ventajas con respecto al sistema
discontinuo convencional. Evita procesos de
represión y reduce la viscosidad del medio
 Inconvenientes: el crecimiento eficiente tiene
lugar durante una pequeña fase del proceso
Sistemas Continuos

Sistemas abiertos, en los que el medio se va
añadiendo de un modo continuo a reactor
 Se va eliminando medio fermentado del
“centro” de la fermentación
 Podemos distinguir dos modalidades:
– Quimiostato
– Turbidostato
Sistemas Continuos

Es básico controlar que el volumen de
biorreactor sea constante
 Existen diferentes formas de conseguir esto,
puede ser mediante un tubo de sobreflujo, o
mediante el mantenimiento de la velocidad
de bombeo igual a la rapidez de flujo de
entrada de medio
Sistemas Continuos

La concentración de biomasa viene dada
por:
Ks·D
x’ = γ SR μmax - D
X’ = concentración de biomasa en un estado estacionario
γ = rendimiento para el substrato limitante (g de biomasa por g de
substrato consumido)
Ks = constante inicial
SR = concentración inicial de medio
D = velocidad específica de crecimiento
μmax = velocidad máxima de crecimiento
Quimiostato

Suministramos nutriente esencial limitante a
medida que va siendo necesario.
 Se va eliminando biomasa para formarse
biomasa nueva.
 La densidad y rapidez de crecimiento se
mantiene constante, debido a que la
cantidad de substrato y de producto también
se mantienen constantes.
Quimiostato

Esquema del
fermentador
Quimiostato

La rapidez de crecimiento depende del tipo
de nutriente limitante
– Carbono
– Nitrógeno
– Fósforo
– Vitamina

Los demás nutrientes esenciales están
presentes en exceso.
Turbidostato

El producto no se saca del reactor
 Tenemos un circuito de reflujo, que acoge el
producto cuando hay exceso, de ese modo
se mantiene constante la velocidad
 La cantidad de producto que hay en el
reflujo, determina la cantidad de medio que
se añade al biorreactor
Turbidostato

Esquema del
turbidostato
Síntesis de Metabolitos
Secundarios

Existen productos cuya síntesis no está
relacionada con el crecimiento, estos se
denominan METABOLITOS
SECUNDARIOS
 No se puede relacionar su formación con el
crecimiento porque no existe relación.
 Los mas famosos son los Antibioticos