unitarias

DEFINICIÓN:
Recipiente en el que se lleva a cabo
una transformación en la que
interviene un biocatalizador.

CARACTERÍSTICAS GENERALES:
1. Condiciones de
Operación suaves (Poco
aporte energético).
2. Transformación
Isotérmica (poca
variación en el proceso
una vez ya estable).
3. Productividad (Actividad
y estabilidad en el

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES:

TIPOS DE BIORREACTORES: 1 CSTR

TIPOS DE BIORREACTORES: 2, DE COLUMNA

TIPOS DE REACTORES DE COLUMNA:

CARACTERÍSTICAS DEL AIR –LIFT:

BIORREACTOR TIPO AIR – LIFT:

RECIRCULACIÓN INTERNA DE
TANQUES:

RECIRCULACIÓN EXTERNA DE TANQUES:

TIPOS DE BIOCATALIZADORES: ENZIMAS

TIPOS DE BIOCATALIZADORES: CONFIGURACIÓN DEL
TANQUE

TIPOS DE BIOCATALIZADORES: REACTOR
TUBULAR

TIPO DE INMOVILIZACIÓN: CELULAR

INMOVILIZACIÓN DE CÉLULAS EN TANQUES:

INMOVILIZACIÓN DE CÉLULAS EN REACTORES DE
MEMBRANA:

INMOVILIZACIÓN CELULAR: VENTAJAS

INMOVILIZACIÓN CELULAR: DESVENTAJAS

DEFINICION OPERATIVA:

•Contenedor en el que se mantiene un
medio ambiente favorable para la
operación de un proceso biológico
deseado.

ÍNDICE:

1.- INTRODUCCIÓN.
2.- MATERIAS PRIMAS Y MEDIOS DE
CULTIVO.
4.- CINÉTICA DE LAS REACCIONES.
5.- SISTEMAS DE FERMENTACIÓN.

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 MICROORGANISMO

MEDIO DE CULTIVO CO2

CONDICIONES AMBIENTALES 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,).
– Inoculadas ( vino, yogurt).
• 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.
• 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.
• Fermentación etílica:
– Se transforman los azúcares de las uva en etanol, debido a la
acción de las levaduras.

1.3.- Ejemplos.

• Levaduras saccharomyces cerevisiae (principales
responsables de la fermentación alcohólica)

1.3.- Ejemplos.
• 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.

 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.

– 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.


• INFLUENCIAS DEL MEDIO :

1.- En el crecimiento celular.
2.- En el procesado posterior.
3.- En la fisiología y morfología de los microorganismos.

• 1.- INFLUENCIA DEL MEDIO EN EL CRECIMIENTO CELULAR.
– Los microorganismos necesitan:

Carbono
Nitrógeno
Minerales Biomasa
Factores de crecimiento Microorganismos
Biosíntesis y
Agua mantenimiento celular
Oxígeno(aerobios)

Condiciones medioambientales:
pH, Temperatura...

• Elementos en el medio:Similar a la composición elemental de
los microorganismos.

C H O N S Cu, Mn,Co,Mo,B....
45 7 33 10 2,5 Trazas
– La cantidad de carbono necesaria en condiciones aerobias, se
determina por el coef. de rendimiento de biomasa:

Biamasa producida( g )
γc =
Substrato carbono utilizado ( g )
• Factores de crecimiento: aminoácidos, vitaminas o
nucleótidos.(Por necesidad p para aumentar la velocidad de
crecimiento)

• 2.- INFLUENCIA EN EL PROCESAMIENTO 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 microbiano

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 Cationes
Viscosidad divalentes

Polímeros Morfología Agentes
aniónicos quelantes

Presencia de Agentes
sólidos tensoactivos


• pH:Las hifas del P. Chrysogenum se vuelven más cortas y gruesas a
medida que el pH es más alcalino, forman gránulos.


• 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.


• CONTROL DEL PROCESO:VARIABLES.
1.-pH
2.-ESPUMA
3.-OXÍGENO
4.-TEMPERATURA
5.-REGULACIÓN DE LA FORMACIÓN DE PRODUCTO.

1.-pH:

 Control necesario para el desarrollo celular y formación de producto.
 Control de forma indirecta o de forma directa:
 Directamente (Añadiendo agentes buffer):
 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.- 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 ).
Disociadores mecánicos.


• 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
economicos baratos.

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.


4.-TEMPERATURA:

– Temperatura óptima para la producción celular
o de metabolitos.
– Uso de termostatos


5.-REGULACIÓN DE LA FORMACIÓN DEL PRODUCTO.
 PRECUSORES
 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).

2.3.-Medios de fermentación microbiana.
• 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).


 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.
 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......


• 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.
• Substratos complejos utilizados en los medios de fermentación microbiana.
FUENTE INGREDIENTES PROT. CARBOH. GRASA FIBRA CENIZA
Cereales enteros Cebada 11,5 68,0 1,8 7,0 2,5
Cebada malteada 13,0 70,0 2,0 3,5 2,5
Maiz 9,9 69,2 4,4 2,3 1,3
Avena 12,0 54,0 4,5 12,0 4,0
Arroz 13,0 65,0 2,0 10,0 4,5
Trigo 8,2 69,0 1,9 2,6 1,8
Subpr.derv. plantas Melazas 3,0 54,0 0,4 9,0
Pulpa de remolacha 8,9 59,1 0,6 18,3 3,1
Pulpa de agrios (seca) 6,0 62,7 3,4 13,0 6,9
Harina de germen de maiz 22,6 53,2 1,9 9,5 3,3
Salvado de arroz 13,0 45,0 13,0 14,0 16,0
Harina integral de soja 42,0 29,9 4,0 6,0 6,5
Subp. deriv.animales Sangre 80,0 2,5 1,0 1,0 3,0
Harina de pescado 72,0 7,5 1,0
Harina de hueso 50,0 0,0 8,0 3,3 31,0
Subp deriv microorganismos Hidrolizado de levaduras 52,5 0,0 1,5 10,0

2.4.-Medios de cultivo de células
animales.
• 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%.

animales.
 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 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..)

animales.

 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 .

vegetales.
• 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).

2.6.-Mantenimiento y esterilización.
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?

METABOLITOS
CEPAS TÓXICOS
EFECTOS
DESESTABILIZANTES


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)

 ¿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.


TIPOS DE ESTERILIZACIÓN.
ESTERILIZACIÓN DISCONTINUA ESTERILIZACIÓN CONTINUA
T 121ºC 20-30 segundos a 90-120 ºC
30-120 segundos a 140ºC
Tiempos de esterilización mayores(2-3h)
20-30 segundos refrigeración
Calentamiento por inyección de vapor Calentamiento por inyección de vapor
o intercambiadores de calor o intercambiadores de calor
Alto consumo de energía. Formación de sales insolubles
Alteración y destrucción de nutrientes. 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
Velocidad de crecimiento: ∆n
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 (µ) 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 µ 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 T máxima
Psicrófilo -5 +5 12 – 15 15 - 20
Psicrótrofo -5 +5 25 – 30 30 - 35
Mesófilo 5 – 15 30 – 45 35 - 47
Termófilo 40 – 45 55 – 75 60 - 90

Veloc de
Gráfica Psicrófilos

crecimiento Mesófilos

Termófilos

20 40 60 80

Temperatura (ºC)

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 γ 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 γ 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

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

En cuanto al biorreactor:
Para cada proceso biotecnológico, el
sistema de contención más apropiado debe
diseñarse para brindar el mejor medio
ambiente, optimizado para el crecimiento
celular y actividad metabólica.

Equipos accesorios.
•Manómetros
•Válvulas de control
•Tuberías
•Control de temperatura
•Control de pH
•Control de espumas
•Válvulas de seguridad

•Puntos de muestreo

El medio ambiente puede considerarse en
tres aspectos:

•BIOLOGICO

•QUIMICO

•FISICO

AIREACION Y AGITACION.

La agitación es necesaria para:
1- incrementar la velocidad de
transferencia de oxígeno desde las
burbujas de aire al medio líquido; los
microorganismos no pueden utilizar
oxígeno gaseoso, sino solamente el que se
encuentra en disolución.

2- aumentar la velocidad de
transferencia de oxígeno y nutrientes
desde el medio a las células. Debido al
movimiento se evita que las células
creen áreas estancadas con bajos niveles
de oxígeno y nutrientes.
3- impedir la formación de agregados
celulares.
4- aumentar la velocidad de
transferencia de productos metabólicos
de las células al medio.

5- aumentar la tasa o la eficiencia de la
transferencia de calor entre el medio y
las superficies de refrigeración del
fermentador.

Tipos de fermentador:

•Crecimiento en suspensión.

•Crecimiento con soporte.

En el crecimiento en suspensión, los organismos
están sumergidos y dispersados en el medio
nutritivo y su movimiento sigue al del medio.

En los sistemas con soporte,los organismos
crecen como una monocapa o película sobre una
superficie en contacto con un medio nutritivo.

En la práctica, sin embargo, los sistemas en
suspensión poseen una película de organismos en
la superficie del contenedor y en sistemas con
soporte, encontramos organismos dispersos en el
medio nutritivo.

TECNOLOGIA DE BIOPROCESOS -
FERMENTACION

Las etapas en la manufactura de productos
en la tecnología de bioprocesos son,
esencialmente, similares
independientemente del organismo
utilizado, del medio elegido y del producto
buscado.

En todos los ejemplos, se cultiva gran número
de células en condiciones controladas.

Los organismos deben cultivarse y
“motivarse” para formar el producto deseado,
mediante un sistema de contención técnica y
física (el biorreactor) y un medio correcto en
su composición y parámetros reguladores del
crecimiento, tales como temperatura y
aireación.

PRINCIPIOS DE CRECIMIENTO
MICROBIANO

El crecimiento de microorganismos
puede verse como el incremento en el
material celular, expresado en términos
de masa o número de células.
El incremento en biomasa puede
determinarse gravimétricamente o
numéricamente para sistemas
unicelulares.

Tiempo de duplicación:
Se refiere al tiempo requerido para
duplicar el peso de la biomasa.

Tiempo de generación:
Se refiere al tiempo necesario para
duplicar el número de células.

En un proceso biotecnológico, existen tres formas
de hacer crecer a los microorganismos en un
biorreactor:
-Por lotes (batch)
-Semi-continuo
-Continuo

Modos de operación de los
fermentadores:
•Operación por lotes: El reactor se
carga con la especie reactiva y, a medida
que procede la reacción, cambian las
condiciones en el reactor al consumirse
los reactivos y formarse los productos.
Cuando se ha alcanzado el nivel deseado
de reacción, se vacía el reactor, se limpia
y el proceso se repite. Son procesos que
no se encuentran en estado estacionario.

El ambiente nutricional dentro del
biorreactor cambia en forma continua y,
por lo tanto, fuerza cambios en el
metabolismo celular.
Eventualmente, la multiplicación celular
cesa por desaparición o limitación de
nutrientes y acumulación de productos
tóxicos de excreción.

La naturaleza compleja del crecimiento
de microorganismos por lotes, se muestra
tal como sigue:

La fase 1 o “log”, es un tiempo de aparente no
crecimiento, pero estudios bioquímicos
demuestran actividad metabólica, indicando
que las células están en proceso de adaptación
a las condiciones ambientales y que un nuevo
crecimiento comenzará, eventualmente.

Existe, luego, una fase de aceleración
transitoria cuando el inóculo comienza a
crecer que es seguida, rápidamente, por
una fase de crecimiento exponencial.
En la fase exponencial, el crecimiento
microbiano ocurre a la máxima velocidad
posible para ese microorganismo, con
nutrientes en exceso, parámetros de
crecimiento ideales y ausencia de
inhibidores.

Sin embargo, en cultivos por lote, el
crecimiento exponencial es de duración
limitada y, a medida que las condiciones
nutricionales cambian, la velocidad de
crecimiento disminuye y se entra en la fase
de deceleración, seguida de la fase
estacionaria, donde el crecimiento global
no se obtiene, por falta de nutrientes.

La fase final del ciclo es la fase de muerte,
cuando la velocidad de crecimiento ha
cesado.
La mayoría de los procesos biotecnológicos
por lotes se detiene antes de esta fase,
debido a la disminución en el metabolismo y
a la lisis celular.

Algunos medios para prolongar la vida de un
cultivo por lotes:
-Adición gradual de componentes nutritivos
concentrados (carbohidratos), aumentando el
volumen del cultivo (utilizado para producción
industrial de levadura).
-Adición de medio al cultivo (perfusión) y
extracción de un volumen igual de medio usado,
libre de células (utilizado para cultivos de
células animales).

•Operación continua: Existe un flujo
continuo de reactivos frescos hacia el
reactor y el producto fluye continuamente
hacia fuera. En algunos sistemas
continuos el medio nutriente es inoculado
con el cultivo microbiano al entrar al
reactor y los organismos llevan a cabo su
actividad a medida que el líquido fluye a
través del sistema y salen del sistema
junto con el medio.

Los organismos pueden separarse de la
corriente que lleva al producto y reciclarse
para inocular el líquido de alimentación.
En un sistema continuo con mezcla
completa, las condiciones son uniformes en
todo el reactor, en un equilibrio de mezcla
de nutrientes, organismos y productos.
La alimentación del sistema es medio
nutriente libre de organismos y, en algunos
casos, un inóculo de organismos reciclados.

Esta práctica de cultivo continuo, provee
un crecimiento casi balanceado, con
pequeña fluctuación de nutrientes,
metabolitos, número celular o biomasa.
Esto consiste en medio fresco entrando un
sistema por lotes, en fase de crecimiento
exponencial, con una remoción
correspondiente de medio más células.

Este método de cultivo continuo, permite a
los organismos crecer en condiciones de
estado estacionario, en las que el
crecimiento ocurre a una velocidad
constante y en un medio ambiente
constante.

En un sistema de cultivo perfectamente
mezclado, se pasa medio estéril al
biorreactor, a un flujo constante y una
mezcla de cultivo (medio, productos de
desecho y organismos) emergen del
mismo a la misma velocidad,
manteniendo el volumen total del cultivo,
dentro del biorreactor, constante.

Ventajas de un proceso por lotes:
Las principales son: menor riesgo de
contaminación, flexibilidad operacional
cuando los fermentadores se utilizan para
distintos productos, un control más
cercano de la estabilidad genética del
organismo, una mejor coordinación con
estadios del proceso entre lotes previos y
posteriores.

Desventajas del proceso por lotes:
La principal es la alta proporción de tiempo
improductivo en la operación del fermentador,
dificultad de diseño y la operación de procesos
que no están en estado estacionario y la
variabilidad entre lotes.

Los fermentadores deben ser vaciados,
limpiados, esterilizados y recargados
antes de cada fermentación, operaciones
todas esenciales pero no productivas.
En procesos por lotes, estas operaciones
pueden tomar tanto tiempo como la
fermentación misma.
En un proceso continuo, por el contrario,
una corrida puede durar semanas o
meses, es decir que el tiempo no
productivo es, en proporción, pequeño.

Esterilización:
•Esterilización de fermentadores.
•En el laboratorio, el método estándar de
esterilización es el calor: 120ºC de calor
húmedo durante 15 min o 160ºC de calor
seco durante, al menos, 1 hora. A escala
industrial, el calor seco es
prohibitivamente caro, salvo en casos
muy especiales y se utiliza,
habitualmente, la esterilización por calor
húmedo.

•Esterilización del fermentador y el medio
conjuntamente.
•El calentamiento se consigue mediante:
•Inyección de vapor en el medio, por
lo que el medio se prepara
ligeramente más concentrado para
compensar la dilución por el vapor
condensado.
•El medio se calienta por conducción,
haciendo pasar vapor por la camisa
de termostatización.

•Esterilización por separado del fermentador
y el medio.

•Este sistema ofrece ventajas ya que
reduce el tiempo en el que el recipiente
de fermentación es improductivo: un
fermentador vacío se esteriliza con
relativa rapidez.

Pasos a tener en cuenta:

-Cambio de escala
-Diseño de medios para procesos de
fermentación
-Fermentación en sustratos sólidos
-Tecnología de cultivos de células de
plantas y animales
-Procesamiento posterior de la muestra

Procesamiento posterior de la
muestra.
Purificación.

El diseño y la operación eficiente de los
procesos de purificación, son elementos
vitales para obtener los productos
deseados para uso comercial.
Deberían reflejar la necesidad de no perder
más que lo absolutamente necesario del
producto final.

Este procesamiento final involucrará,
principalmente, la separación inicial de la
mezcla de cultivo hacia una fase líquida y
una sólida, con la subsecuente
concentración y purificación del producto
deseado.

El procesamiento involucrará más de una etapa:
-Destilación
-Centrifugación
-Filtración
-Ultrafiltración
-Extracción con solventes
-Adsorción
-Tamices moleculares
-Electroforesis
-Cromatografía de afinidad
-Liofilización

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