Fundamentos Esenciales de Bioprocesos y Fermentación Microbiana

Medios de Cultivo: Clasificación y Composición

Los medios de cultivo son esenciales para el crecimiento y estudio de microorganismos. Se clasifican principalmente en:

Medios Sintéticos o Químicamente Definidos

Se preparan con sustancias puras y en cantidades conocidas, lo que permite un control preciso de la composición.

Medios Complejos o Químicamente Indefinidos

Se preparan con ingredientes cuya composición se conoce solo de forma aproximada (ej. suero, sangre, extracto de levadura, extracto de carne, peptonas, etc.).

Optimización de Procesos Biotecnológicos

La optimización es crucial para mejorar la eficiencia y productividad de los bioprocesos.

• Formulación de medios de producción: Se utiliza el método estequiométrico para diseñar la composición óptima del medio.
• Optimización de medios de producción: Se emplea el método experimental para ajustar y mejorar las condiciones del medio.

Balances en Bioprocesos

Balance de Masa

Describe el flujo de materiales en un sistema. Incluye:

• Material que ingresa al sistema: Nutrientes, oxígeno.
• Material que sale del sistema: Desechos o lodos, CO₂ y CH₄.

Balance Químico

Describe la oxidación biológica de un desecho orgánico. Por ejemplo, la degradación de la caseína.

Tipos de Fermentaciones

Las fermentaciones son procesos metabólicos que transforman sustratos orgánicos.

Fermentaciones Naturales

Ocurren cuando las condiciones ambientales permiten la interacción espontánea de los microorganismos y los sustratos orgánicos susceptibles.

Fermentaciones Artificiales

Se dan cuando el ser humano propicia las condiciones y el contacto necesario entre microorganismos y sustratos.

Fermentación Discontinua (Batch)

Considerado un sistema cerrado, se caracteriza por:

• Los microorganismos se inoculan en un medio de prefermentación.
• El inóculo se transfiere al medio de fermentación.
• No se añade nada durante la fermentación, excepto: oxígeno, antiespumante, ácidos o bases para control de pH.
• Conforme transcurre el tiempo, la concentración de sustrato, biomasa y producto varían como resultado del metabolismo celular.
• En la curva de crecimiento se describen las fases:
  1. Latencia
  2. Logarítmica
  3. Estacionaria
  4. Muerte

Fermentación Discontinua de Lote Alimentado (Fed-Batch)

Este tipo de fermentación es comúnmente usado en la producción de penicilina y se distingue por:

• Se adiciona sustrato continuamente durante la fermentación.
• Permite suprimir la formación de catabolitos (represión catabólica).
• El control de la fermentación se realiza por parámetros indirectos relacionados con el sustrato crítico.
• Es utilizado para incrementar la productividad.

Clases de Fermentaciones Continuas

Las fermentaciones continuas mantienen un flujo constante de entrada y salida de medio.

Mezclado Homogéneo

Utilizado como un quimiostato o un turbidostato, donde el medio se mezcla de manera uniforme.

Flujo de Tapón

El medio fluye a través de un reactor tubular sin mezclado significativo, manteniendo un gradiente de concentración a lo largo del reactor.

Interacciones Microbianas en Cultivos Mixtos

Las poblaciones microbianas pueden interactuar de diversas maneras:

Amensalismo

El crecimiento de una especie es reprimido por la presencia de sustancias producidas por otra.

Neutralismo

Ambas especies no tienen un efecto observable la una sobre la otra.

Simbiosis

Una asociación mutualista donde la supervivencia de una especie es necesaria para la supervivencia de la otra.

Parasitismo

Ocurre cuando un microorganismo se alimenta y reproduce a expensas de los fluidos o tejidos del cuerpo de otro organismo.

Sinergismo

Un tipo de comensalismo en el cual el producto específico es mayor en un cultivo mixto que en un cultivo puro.

Medición y Modelos Cinéticos del Crecimiento Microbiano

Nefelometría

Mide la dispersión de la luz a través de una suspensión de partículas sólidas para estimar la concentración celular.

Turbidimetría

Mide la reducción de la transmisión de luz debido a las partículas en una suspensión y cuantifica la luz residual transmitida. Se utilizan herramientas como la Escala de McFarland y el Espectrofotómetro.

Tiempo de Duplicación

Es el intervalo de tiempo que se requiere para que la biomasa de una población microbiana se duplique.

Grado de Duplicación

Es el número de veces (n) que se duplica una población microbiana en un tiempo dado. También se denomina número de generaciones.

Modelos Cinéticos para el Crecimiento Microbiano

La Ecuación de Monod (1942) establece una relación funcional entre la tasa de crecimiento específica (μ) y la concentración de un único nutriente esencial limitante (S). Se aplica para el cultivo de un microorganismo que crece formando células separadas y en ausencia de inhibidores del crecimiento.

Aireación en Bioprocesos

La demanda de oxígeno (O₂) en un bioproceso depende del crecimiento del microorganismo y la producción de metabolitos. La demanda de oxígeno varía:

• Es baja en la fase de latencia (lag).
• Es máxima al inicio de la fase logarítmica y a lo largo de esta fase.
• Decrece cuando inicia la fase estacionaria.

La transferencia de masa de O₂ se describe por la ecuación: Na = KLa(C* - CL), donde Na es la tasa de transferencia, KLa es el coeficiente volumétrico de transferencia de masa, C* es la concentración de saturación de oxígeno y CL es la concentración de oxígeno disuelto. La máxima transferencia se logra cuando CL es cero. Cuando CL disminuye, el crecimiento microbiano se ralentiza. En ausencia de microorganismos, la transferencia de O₂ se detiene y el medio se satura. El valor de KLa desciende a medida que aumenta el tamaño de los pellets. Las sustancias antiespumantes también reducen el valor de KLa.

Agitación en Bioprocesos

La agitación en un biorreactor produce varios efectos importantes:

• Dispersión de aire y líquidos no miscibles.
• Homogeneización y mezcla de células y nutrientes sólidos.

Tipos de Agitación

• Mecánica: Utiliza impulsores para mezclar el contenido.
• Por gas comprimido:
  • Columna de Burbujas: La mezcla se logra mediante la inyección de aire a sobrepresión.
  • Aero-elevado (Air-lift): Utiliza un circuito externo o interno para recircular el líquido mediante el aire inyectado.