Cultivo continuo y por lotes en microbiología: quimiostato y sistemas de cultivo
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Resumen
El texto explica los sistemas de cultivo microbiano continuo y por lotes (batch), con especial atención al quimiostato como reactor de volumen constante. Compara ventajas y desventajas de ambos métodos y describe criterios para seleccionar cepas de interés industrial y las funciones básicas de un fermentador.
Puntos clave
- El cultivo continuo es un cultivo balanceado mantenido indefinidamente en un sistema abierto de flujo, con volumen constante y eliminación de productos tóxicos.
- En el quimiostato, el caudal de entrada es igual al de salida y la concentración de salida es igual a la del interior del reactor.
- El cultivo por lotes siembra una cantidad fija de microorganismos en un volumen dado de medio; tiene tecnología rudimentaria y fácil escalamiento, pero una alta proporción de tiempo improductivo.
- El cultivo continuo opera por periodos largos, con tiempos muertos bajos y costos operativos bajos, pero requiere equipos de alta calidad y un gran reservorio de medio.
- Un cultivo continuo mantiene la población en fase exponencial y se usa en fermentaciones industriales que requieren máxima actividad metabólica.
- Criterios para seleccionar cepas industriales: estabilidad genética, alta velocidad de crecimiento específica, ausencia de contaminantes y requerimientos nutricionales satisfechos con medios de bajo costo.
- Un fermentador debe mantener constante y homogénea la temperatura y minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
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Cultivo Continuo (Sistemas Abiertos): El Quimiostato
El cultivo continuo es un cultivo balanceado mantenido por tiempo indefinido mediante un sistema abierto de flujo. Este sistema se compone de:
- Una cámara de cultivo de volumen constante, a la que llega un suministro de nutrientes.
- Un mecanismo de eliminación o separación de los productos tóxicos de desecho.
Una vez que el sistema alcanza el equilibrio, el número de células y la concentración de nutrientes en la cámara permanecen constantes. En este punto, se dice que el sistema está en estado estacionario, con las células creciendo exponencialmente.
Parámetros Clave del Cultivo Continuo
Los parámetros a tener en cuenta en un sistema de cultivo continuo son:
- Flujo
- Volumen de la cámara de cultivo
- Densidad celular de la cámara
- Factor de dilución
Cultivo por Lote (Batch)
En el cultivo por lote o batch, una cierta cantidad de microorganismos es sembrada en un volumen dado de medio de cultivo.
Parámetros del Cultivo por Lote
Los parámetros relevantes incluyen:
- Sustrato (S)
- Tiempo (t)
- pH
- Oxígeno
- Agitación
Ventajas del Cultivo por Lote
- Tecnología rudimentaria.
- Facilidad de escalamiento.
Aplicaciones del Cultivo por Lote
- Cervecería.
- Tratamiento de aguas.
Desventajas del Cultivo por Lote
- Alta proporción de tiempo improductivo.
Principios del Cultivo Continuo
El cultivo continuo consiste en mantener la población microbiana en fase exponencial de crecimiento. Se utiliza comúnmente en fermentaciones industriales que requieren actividad metabólica máxima.
Es un cultivo balanceado mantenido por tiempo indefinido mediante un sistema de flujo que se compone de: una cámara de cultivo de volumen constante a la que llega un suministro de nutrientes, y de la que se eliminan o separan los productos tóxicos de desecho.
Teoría del Quimiostato
Se entiende por Quimiostato un reactor tanque agitado en el que se asume básicamente que:
- El volumen de medio es constante.
- El caudal de salida es igual al de entrada.
- La concentración de salida es igual a la concentración en el interior del reactor.
Comparativa: Cultivo Continuo vs. Cultivo por Lotes
Ventajas del Cultivo Continuo sobre el Cultivo por Lotes
Las ventajas de este tipo de cultivo se pueden enumerar de la siguiente manera:
- Opera por periodos largos.
- Tiempos muertos bajos.
- Bajos costos operativos.
Desventajas del Cultivo Continuo sobre el Cultivo por Lotes
Las desventajas de este tipo de cultivo se pueden enumerar de la siguiente manera:
- Alto costo debido a la alta calidad de equipos y accesorios requeridos.
- Requiere un gran reservorio para almacenamiento de medio o un suministro continuado de sustrato.
Características y Aplicaciones del Cultivo Continuo
En todos los sistemas de cultivo continuo, las densidades de población son mantenidas a niveles considerablemente más bajos que los que se presentan en la fase estacionaria del crecimiento.
Selección de Microorganismos de Interés Industrial
Criterios Generales para la Selección de Cepas
Para la selección de microorganismos de interés industrial, se consideran los siguientes criterios:
- Cepa genéticamente estable.
- Velocidad de crecimiento específica alta.
- Cepa libre de contaminantes.
- Requerimientos nutricionales satisfechos con medios de cultivo de costo reducido.
El Fermentador: Funciones Esenciales
Las funciones principales de un fermentador son:
- Mantener constante y homogénea la temperatura.
- Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un quimiostato?
Es un reactor tipo tanque agitado en el que el volumen de medio es constante, el caudal de salida iguala al de entrada y la concentración de salida es igual a la del interior del reactor.
¿Cuáles son las ventajas del cultivo continuo frente al cultivo por lotes?
Opera por periodos largos, tiene tiempos muertos bajos y bajos costos operativos. Sin embargo, exige equipos de alta calidad y un gran reservorio de medio o un suministro continuo de sustrato.
¿Para qué se aplica el cultivo por lote?
Se aplica en cervecería y en tratamiento de aguas. Su principal desventaja es la alta proporción de tiempo improductivo.
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