1. No category

- Requerimientos nutricionales (alimento)
-Condiciones físicas (Temperatura, pH, actividad del agua…)
Los organismos necesitan obtener energía y materias primas
para poder realizar sus actividades metabólicas y desarrollar
todo su ciclo vital.
En términos nutricionales y de acuerdo a la cantidad se puede
decir que requieren de:



MACRONUTRIENTES
MICRONUTRIENTES
FACTORES DE CRECIMIENTO
Agregados en cantidades de gramos por litro
que están representados por las fuentes de C, N,
S, P, K y Mg.
o elementos trazas representados por las sales de
Fe, Mn, Mo, Ca, Zn y Co que se agregan a los medios
en cantidades de miligramos o microgramos por
litro.
Componentes
orgánicos
que
no
son
sintetizados ni metabolizados por las células,
sino incorporados a estructuras celulares
(vitaminas, pseudovitaminas).
Componentes de las células (% peso
seco)
Carbono 50%
Oxígeno 32%
Nitrógeno 14% (NH4 )
Fósforo 3% (PO 43-)
Azufre 1% (SO42-)
Elementos traza Fe, K, Mg, Mn, Co, Mb, Cu y
Zn.
Elemento
Bacterias Levaduras
Mohos
Carbono
46-52
46 - 52
45-55
Hidrógeno
Entre 8 y12
Entre 8 y12
Entre 8 y12
Oxígeno
18 - 24
18 - 24
18 - 24
Nitrógeno
Entre 10 y 14
Entre 5 y 9
Entre 3 y 7
Magnesio
0,1 - 0,5
0,1 - 0,5
0,1 - 0,3
Fósforo
2,0 - 3,0
0,8 - 0,25
0,4 - 4,5
Azufre
0,1 - 1,0
0,01 - 0,025
0,1 - 0,5
Calcio
0,01 - 1,0
0,1 - 0,3
0,1 - 1,4
Potasio
1,0 - 4,5
1,0 - 4,0
0,2 -2,5
Hierro
0,02 - 0,2
0,01 - 0,5
0,1 - 0,2
Otros
<0,01
<0,01
<0,01
RELACION
DE COMPOSICIONES EN LA
FORMULACIÓN DE UN MEDIO
100:10:(1-5)
C:N:P
Compuesto
Bacterias
Levaduras
Mohos
Proteínas
50 - 60
35 - 60
25 - 40
Carbohidratos
Entre 6 - 15
30 - 45
40 - 55
Lípidos
Entre 5 y 10
Entre 5 y 10
Entre 5 y 10
Ac. Nucléicos
15 - 25
Entre 5 y 15
Entre 2 y 10
Cenizas
Entre 4 y 10
Entre 4 y 10
Entre 4 y 10
•Temperatura
•pH
del agua (aw)
•Potencial Redox
•Actividad
Relación temperatura-velocidad de
crecimiento (ecuación de Arrhenius)
k(T)= A*exp(-Ea/RT)
k(T): constante cinética (dependiente de la temperatura)
A: factor preexponencial o factor de frecuencia. Refleja la frecuencia
de las colisiones.
Ea: energía de activación, expresada en kJ/mol.
R: constante universal de los gases. Su valor es 8,3143 J·K-1·mol-1
T: temperatura absoluta [K]
Temperaturas
cardinales:
mínima, máxima y
óptima
Aunque los microorganismos pueden crecer en un margen más
o menos amplio de pH (alrededor de un óptimo), los cambios
bruscos pueden ser lesivos (afectando a la membrana y al
transporte de solutos, e inhibiendo enzimas).
 Acidófilos
 Neutrófilos
 Alcalófilos
Efectos del pH sobre la velocidad de crecimiento:
a. Hongos. b. Bacterias
El valor de la actividad de agua nos da una idea de la cantidad de agua
disponible metabólicamente. Conforme aumenta la cantidad de solutos
en el medio, disminuye su actividad de agua.
a
W
= P/Po
P = presión de vapor del agua en una solución
Po = presión de vapor del agua pura
0<
a
W
<1
Actividad de agua
Material
Organismo que crece
aw
1.000
0.995
0.980
0.950
0.900
0.850
0.800
0.750
0.700
Agua pura
Sangre Humana
Agua Marina
Pan
Jarabe de arce, jamón
Chorizo
Pasteles de frutas,
mermeladas
Pescado salado
Cereales, caramelos
Frutos secos
Caulobacter Spirillum
Streptococcus, E. coli
Pseudomonas, Vibrio
Bacilos Gram positivos
Cocos Gram positivos
Levaduras
Hongos filamentosos
Halobacterium, Halococcus
Hongos xerofílicos
ACEPTAR
ELECTRONES
CARACTERÍSTICA
OXIDANTE
DONAR
ELECTRONES
CARACTARÍSTICA
REDUCTORA
CAPACIDAD DEL
SUSTRATO DE:
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.
 Aerobios
 Microaerófilos
 Anaerobios
facultativos
 Anaerobios
estrictos u obligados

Hay microorganismos que viven en ambientes
anaerobios que llevan a cabo un metabolismo
oxidativo porque usan otro aceptor final de
electrones que actúa como oxidante ambiental.
(nitratos (NO3-), sulfatos (SO42-) u otros
compuestos orgánicos oxidados).
En Organismos
multicelulares
En Unicelulares
Implica un aumento
ordenado de todos los
componentes de un
organismo y no solamente de
alguno de ellos.
El crecimiento conduce a un
aumento en el número de
células más que en el
tamaño celular.
¿VIABILIDAD DE LOS
MICROORGANISMOS?
 Con
los nutrientes necesarios y las condiciones
físico-químicas adecuadas se puede realizar el
cultivo de microorganismos de las siguientes
formas:
-
Batch (lotes)
Fed-Batch (lotes alimentados)
-
Continuo
Etapa lenta o de retardo lag:
- Adaptación enzimática al tipo de sustrato.
- Adaptación a la concentración y condiciones de
operación.
Las células están vivas pero no se reproducen (hacen
un censo del medio y las condiciones físicas)
 Es
el tipo de crecimiento donde el número de
células se duplica cada cierto tiempo
 La
velocidad en la variación de la concentración
de celular conocida también como la VELOCIDAD
DE CRECIMIENTO en el número de células o en la
masa celular) se puede expresar así:
dN/dt = (biomasa que nace)-(biomasa que muere)
dN/dt = µN - KdN
dN/dt=µN
dN/dt=0
dN/dt=-Kd N
Donde:
dN/dt= rata de crecimiento
N= Número de células o biomasa en el tiempo
t,
µ= velocidad específica de crecimiento (t-1 ),
Kd = constante de velocidad de muerte ceular
Tiempo de
generación tg
Velocidad específica de
crecimiento
µ
Constante de
velocidad K
El tiempo requerido para duplicar el
número de células de una población
Cambio instantáneo en el #
relativo de células en un
intervalo de tiempo
El recíproco del tiempo de
generación (generaciones/unidad
de tiempo)
Nf =No 2n
n=t/tg
Nf =No 2t/tg
Donde:
N= Número de células o biomasa en el tiempo (t),
No = Concentración inicial de células o biomasa,
n= número de generaciones,
tg = tiempo de generación,
t= tiempo,
K= constante de crecimiento
ln(Nf)=ln(No ) + [ln(2)/tg ]*t
tg=t*ln(2)/[ln(Nf)-ln(No )]
K=1/tg
K=3,32*[log(Nf )-log(No )]/(tf – to )
Bajo condiciones dadas de crecimiento (medio,
temperatura, pH, etc) cada especie bacteriana tiene un
tiempo de generación determinado genéticamente
Los tiempos de generación
varían ampliamente
El más corto conocido es de
alrededor
de
6
min/generación.
Algunas bacterias tienen
tiempos de generación de
horas, días, semanas, meses.
Donde:
(t-1 )
Variación de la concentración
celular en el tiempo,
N: Concentración celular en tiempo (t),
µ: Velocidad específica de crecimiento
Integrando
N=No expµt
N=No expµt
Linealizando
ln(N)=ln(No ) + µ*t
ln(N)=ln(No ) + [ln(2)/tg ]*t
µ= [ln(2)/tg ]
Prolongar la fase log
Medio fresco
A medida que aumenta la concentración
celular, la concentración de sustrato
disminuye.
(dN/dt)=YS (-dS/dt)
Donde: dN/dt: Variación de la concentración
celular en el tiempo,
dS/dt: Variación en la concentración de
sustrato en el tiempo,
-YS : es el rendimiento de utilización
de
sustrato.
YS =(dN/-dS)
YS =(Nf – No )/(Sf – So )
(dN/dt)=YS (dS/dt)
Dividiendo por 1/N
(1/N)*(dN/dt)=YS *(-dS/dt)*(1/N)
qs =(-dS/dt)(1/N)
µ=(1/N)*(dN/dt)
µ=YS qs
Donde qs es la velocidad específica instantánea de
consumo de sustrato por el microorganismo en un
intervalo de tiempo
µ=YS qs
 Hay
una compensación entre la tasa de
consumo de sustrato y el rendimiento de forma
que los microorganismos que tienen altas tasas
de consumo de sustrato tienen rendimientos
mas bajos y viceversa.
 -Opcion
A: consumo simultáneo
 -Opcion B: crecimiento diaúxico
Elevada concentración de biomasa
- Escasez de sustrato
- Crecimiento lento
- Sustrato usado básicamente para mantenimiento
Velocidad de crecimiento = velocidad de muerte
(dN/dt)=0
CRECIMIENTO
CRÍPTICO
Expresión cinética del proceso de
mantenimiento
(dS/dt)=-ms N
Donde: mS: coeficiente cinético de
mantenimiento celular, kgS/(kgN*h)
 Expresión
cinética del proceso de muerte
celular
(dN/dt)=-Kd N
Muerte significa la pérdida irreversible de la
capacidad para reproducirse (crecer y
dividirse). Designar a una célula microbiana
como muerta no implica su inactividad
metabólica.
Un fermentador de 10 litros de medio es
inoculado con 500 ml de inóculo de 4,1 g/l. Se
sabe que si se deja crecer la cepa, al cabo de
6 horas la biomasa en el fermentador será de 6
g/l.
Determinar el tiempo de duplicación y el
tiempo que deberá permanecer la cepa en el
fermentador para alcanzar la misma
concentración del inóculo.
 En
condiciones de sustrato abundante y ausencia
de inhibición, la concentración de sustrato no
afecta el valor de µ. Pero cuando el sustrato se
hace limitante, si hay un efecto.
 μmax:
velocidad específica de crecimiento
máxima, (t-1 )
 KS: constante de semisaturación, (g de S/l)
Donde “n” es una constante empírica que se
obtiene por ajuste de datos experimentales
Es la disminución de la actividad de los
microorganismos, retardo e impedimento de su
desarrollo, y por lo tanto, de la fermentación.
La fermentación pone lenta e incluso se para,
principalmente por:
-
Agotamiento de algún elemento necesario (oxigeno,
sustancias nitrogenadas,.....)
- Formación o presencia de sustancias inhibidoras
(alcohol, CO2, ciertos sustratos…)
 Por
sustrato:
Donde “KIS” es la constante de inhibición por
sustrato
 Por
producto:
Donde “KIP” es la constante de inhibición por
producto y P es la concentración de
producto
Objetivo: obligar a un microorganismo a crecer usando arsénico en
lugar de fosfato para sus biomoléculas.
Fuente del microorganismo: Fango del lago Mono en California, un lago
hipersalino con altas concentraciones de arsénico
El fósforo es un bioelemento esencial. Los seres
vivos lo usan para hacer ATP que usan como
moneda energética en el metabolismo. Pero
también se usa para hacer unas cuantas
biomoléculas,
principalmente
los
ácidos
nucleicos y los fosfolípidos.
Parece que el arsénico puede sustituir al
fósforo en los ácidos nucleicos. El parecido en
la reactividad química es lo que explica la
toxicidad del arsénico. Se incorpora en las
rutas metabólicas del fósforo sustituyéndolo en
la formación de enlaces ésteres. Pero a
diferencia del fósforo, las biomoléculas que
llevan arsénico en su composición son mucho
menos estables.
Análisis Nano-SIMS de células de GFAJ-1 creciendo con arseniato
(imágenes B, D y F) o con fosfato (imágenes C, E y G). SIMS son
las siglas en ingles de Secondary ion mass spectrometry y lo que
nos dice esta técnica es la composición elemental de las
células. A mayor color, más cantidad del elemento (As o P) que
se está midiendo.
Curvas de crecimiento de GFAJ-1 en diferentes condiciones de cultivo. En A se representa la
densidad óptica y en B el número de células de los cultivos en presencia de fosfato (línea
contínua y círculos negros), arsenato (línea discontinua y cuadrados negros) y sin fosfato ni
arsenato (línea continua y triángulos blancos).
Halomonadaceae crece con un tiempo de generación de 31 horas
en presencia de arsénico y sin fosfato. Si se crece en un medio con
fosfato (1,5 mM) y sin arsénico, el microorganismo crece entonces
con un tiempo de generación de 19 horas y se obtienen 10 veces
más células en fase estacionaria. Si no hay ni fosfato ni arsenato en
el medio, el microorganismo no crece.
Caso A
Caso B
Caso C




¿Qué nombre recibe este tipo de crecimiento con dos
sustratos?
Calcule los tiempos de generación para dada uno de los
sustratos en cada uno de los casos.
Cómo afecta la concentración inicial de sustrato a:
rendimiento sustrato-biomasa, tiempo de generación
global, tiempo total de fermentación y concentración final
de biomasa.
Si se desea hacer una fermentación con un solo sustrato,
¿Cuál elige?
Glicerol crudo
Glicerol puro
Comparación productividades PHB
Influencia del oxígeno en la producción de
biomasa
120
Xpred
Spred
Ppred
Xpred
Spred
Ppred
X
S
P
X
S
P
Bio masa -Azúcar total - Bioetanol (g/L)
Biomasa -Azúcar total - Bioetanol (g/L)
120
100
80
60
40
20
100
80
60
40
20
0
0
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
Tiempo (h)
Tiempo (h)
CONDICIÓN 1
CONDICIÓN 2
T= 28°C
[ ] = 16°brix
Tiempo = 24 h
T= 38°C
[ ] = 20°brix
Tiempo = 24 h
20
25
30