ESTEQUIOMETRIA Y CINETICA MICROBIANA

INFORME PRÁCTICA: ESTEQUIOMETRIA Y CINETICA MICROBIANA

1. INTRODUCCIÓN.

Antes de emprender un proceso biotecnológico a escala industrial es primordial conocer cómo es la transformación de determinados sustratos que componen el medio de cultivo por parte del microorganismo a escala de laboratorio que aportan datos e información de la viabilidad del proceso desde aspectos técnicos y económicos.

En la fase inicial del proceso biotecnológico en el laboratorio  se desarrolla en principio en un erlemenyer (biorector) para emplear un volumen pequeño del medio de cultivo, donde los principales fenómenos de transporte no son determinantes lo que permite  estudiar cualitativamente y cuantitativa cada etapa de la fermentación en cuanto la propagación de biomasa y si hay la formación de un producto de interés.

Este estudio se fundamenta en analizar la estequiometría y la cinética microbiana con el fin de obtener información útil del proceso biotecnológico que se desarrolla. Las características relacionadas con el crecimiento de los microorganismos, la formación de producto y el consumo de sustrato, son las que determinan la viabilidad del proceso biológico a gran escala. También, permite la optimización de los medios de cultivos, mediante la obtención experimental de relaciones que den cuenta de la cantidad de biomasa producida, la formación de producto y el consumo de sustrato, lo que en otras palabras se corresponden con los rendimientos.

En particular, el desarrollo de este laboratorio se base en utilizar un microorganismo con actividad pectinolítica, aislado en la práctica anterior, con el objetivo de realizar un seguimiento de la estequiometria y cinética del crecimiento celular y formación de producto, mediante el uso de  un medio de  cultivo que tiene como fuente de carbono la glucosa.  El análisis estequiométrico proporciona resultados en cuanto a la cantidad final de microorganismos y/o producto formado que dependerá de la concentración y composición inicial del medio de cultivo. Por otro lado, el análisis cinético indicará la velocidad con la cual se lleva a cabo el proceso.

Experimentalmente se llevan a cabo métodos analíticos de cinética microbiana, que permitan cuantificar la biomasa producida, el consumo de sustrato y la formación de producto a lo largo del tiempo. En particular, para los microorganismos aislados con actividad pectinolítica, se determinó a lo largo de la fermentación la densidad óptica y el peso seco para cuantificar la biomasa. De otro lado, en cuanto el consumo de sustrato se aplicó el método DNS para la cuantificación de azúcares reductores. Y finalmente, indirectamente se determinó la producción de enzimas pectinasas por la medición de la actividad enzimática.

Con estos resultados, permite finalmente calcular los rendimientos de biomasa y producto a partir del sustrato. Como también, estimar la velocidad de reacción y la tasa de crecimiento específico (μ).

1. MARCO TEÓRICO.

De acuerdo al tipo y naturaleza del sustrato, los microorganismos lo incorporan en su metabolismo para poder degradarlo, en una secuencia de reacciones que lo convierte en productos intermedios y posteriormente, en productos finales estables con generación de energía (reacciones catabólicas). También, el aprovechamiento de dicho sustrato puede estar implicado dentro de las reacciones anabólicas, en las que se da la formación de componentes bioquímicos funcionales para la célula. Estás últimas reacciones requieren de un aporte energético proveniente de las reacciones catabólicas (Madriz, 1995).

De lo anterior, los procesos biológicos se  fundamentan en el empleo de un determinado sustrato para la formación de productos o metabolitos, la formación de biomasa y/o el mantenimiento celular (Dos Santos, 2007).

En general, la mayoría de los procesos biológicos aplicados en las industrias, se caracterizan por estar diseñados con base en el aprovechamiento de la materia orgánica, para finalmente obtener un producto de interés comercial.  Lo anterior, fundamentado en la transformación de una fracción de carbono orgánico en nuevo material celular a través de la biosíntesis, y la oxidación del sustrato hasta CO2 y otros productos, por medio de las reacciones catabólicas. Junto con  la fuente de carbono, la célula también usa para su crecimiento compuestos ricos en nitrógeno y en menor proporción otros elementos (Mitchell, Von Meien, Krieger, & Dalsenter, 2004).

1. Estequiometría de crecimiento celular y formación de producto

La transformación de los nutrientes presentes en un medio de cultivo por parte del microorganismo, obedece la ley de conservación de masa. En consecuencia, la suma de los reactantes es igual a la suma de los productos en una reacción. Para establecer dicha relación se hace uso de la estequiometría, de manera que permita cuantificar cada compuesto que participa en la reacción bilógica (Panikov, 2010).

De lo anterior, si el crecimiento celular se da en presencia de oxígeno (crecimiento aerobio), puede describirse cualitativamente mediante la Ecuación (1).

[pic 1]

Ecuación (1). Ecuación de balance elemental para una reacción aeróbica

Donde  es la fórmula química del sustrato (por ejemplo la glucosa: ; es la fórmula química de la fuente de nitrógeno (por practicidad se usa NH3);  es la fórmula que representa la biomasa seca; y  es la fórmula general de los productos. De otro lado, a, b, c, d, e y f son los coeficientes estequiométricos (Doran, 1995). [pic 2][pic 3][pic 4][pic 5][pic 6]

Debe notarse que en esta ecuación todos los coeficientes estequiométricos se escribe tomando como referencia un mol de sustrato (fuente de carbono y energía). Además, también se observa que la fórmula química de la biomasa esta reducida a su mínima expresión o fórmula empírica por el concepto de carbono mol. Lo anterior, debido a que se ha encontrado que la composición elemental de un microorganismo dado, durante el cultivo no se modifica significativamente, y lo que es más, las composiciones elementales de distintos microorganismos son semejantes. De este modo se puede definir una formula empírica de carácter general, cuya composición es  (en la que está representado el 95% p/p de la biomasa); y que puede aplicarse cuando no se dispone de la composición real del microorganismo (Doran, 1995). [pic 7]

...