8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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FERMENTACIONESElementos
MICROORGANISMOS
O FRACCIONES
NUTRIENTES
CONDICIONES FISICOQUIMICAS
MICROORGANISMOSCO2, H2,SH2, CH4
PRODUCTOS
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
2/69
FERMENTACIONESMicroorganismo (1)
ESPECIE UNICA
Cultivo PuroEspecifico
InocuoLibre de ToxinasGenéticamente Estable y
Manipulable
Crecimiento y Formación deProducto en Corto Tiempo aGran Escala
Altamente Modificada paraObtener Altos Rendimientos
DOS O MAS ESPECIES
Co-CultivosConsorciosMezclas Sintrópicas
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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FERMENTACIONESMicroorganismo (2)
Clostridium acetobutyl icum
PARAMETROATCC 824 DSM 792 DSM 1732
Biomasa (g/l) 1.86 1.50 2.25
Vel. Esp. Crec. ( ) (h-1) 0.124 0.101 0.110% Sustrato Consumido 82 74 100
Solventes Totales (g/l) 2.80 0.92 8.90
Rendimiento en Biomasa Y X/S 0.041 0.037 0.040
Rendimiento en Producto Y P/S 0.066 0.024 0.173
Productividad (g/l*h) 0.020 0.007 0.205
Productividad Específica 0.011 0.005 0.091
Fermentac ión acetobu tílica en medio Sem is in tético
PARRA et. al. 1995. Evaluación de cepas de Clostridium acetobutylicum para la fermentación acetobutílicaRevista Colombiana de Ciencias Químico Farmacéuticas. No.24. 40-44.
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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FERMENTACIONESMicroorganismo (2)
Producción de Fructo ol ig os acáridos por Fermentación
GOMEZ et. al. 2005. Producción de fructooligosacaridos (FOS) por tecnología de enzimas. Parte I: Evaluación
de aislados nativos de hongos para la producción de FOS. Revista Colombiana de Ciencias QuímicoFarmacéuticas. No.34. (1) 74 - 91.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
40 74 34 68 33 AN166 Aislado
F O S T o t a l e s
( g / L )
Cantidad de FOS totales producidos
0
5
10
15
20
25
40 74 34 68 33 AN166 Aislado
% S
a c a r o s a R e s i
d u a l
Porcentaje de sustrato residual
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
5/69
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
40 74 34 68 33 AN166 Aislado F r a c c i ó n d e l t i p o d e F O S p r o d u c i d o
% Kestosa % Nistosa % FFNistosa
Fracción de los productos formados en la fermentación de FOS
FERMENTACIONESMicroorganismo (2)
Producción de Fructo ol ig os acáridos por Fermentación
GOMEZ et. al. 2005. Producción de fructooligosacaridos (FOS) por tecnología de enzimas. Parte I: Evaluación
de aislados nativos de hongos para la producción de FOS. Revista Colombiana de Ciencias QuímicoFarmacéuticas. No.34. (1) 74 - 91.
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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0
50
100
150
200
250
20 60 180
Tiempo (min)
F O S t o t a l e s ( g / L )
Aislado74 Aislado 40 Aislado 34 Aislado 68 Aislado 33
Producción de FOS en la reacción de actividadenzimática de los aislados de mayor producción
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
0 50 100 150 200
Tiempo (min) F r u c
t o s a t r a n s f e r i d a ( m
o l / 1 0 0 m L )
Aislado 40 Aislado 74 Aislado 34
Aislado 68 Aislado 33 AN 166
Fructosa transferida en el ensayo de actividad
FERMENTACIONESMicroorganismo (2)
Producción de Fructo ol ig os acáridos por Fermentación
GOMEZ et. al. 2005. Producción de fructooligosacaridos (FOS) por tecnología de enzimas. Parte I: Evaluación
de aislados nativos de hongos para la producción de FOS. Revista Colombiana de Ciencias QuímicoFarmacéuticas. No.34. (1) 74 - 91.
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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FERMENTACIONESMedio de Cultivo (1)
EN EL DISEÑO DE UN MEDIO DE CULTIVO SE DEBENTENER EN CUENTA LOS SIGUIENTES ASPECTOSMICROORGANISMO
PROPÓSITO DEL PROCESO Biomasa
MetabolitosEnzimas
Actividad Biológica
CARACTERISTICAS ECONOMICASDEL PRODUCTO
Alto Valor Agregadovacunas, recombinantes, etc
Bajo Valor Agregado
etanol, ácido láctico, etc.
Streptococcus
pneumoniaeSpirul ina sp .
Saccharomyces
cerevisiaePenic i l lium sp.
Pol iovirus
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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FERMENTACIONESMedio de Cultivo (2)
MEDIOS PARA LA FERMENTACION ACETOBUTILICA (ABE)MEDIO SEMISINTETICO
Glucosa (Melaza) 60 (130) g
Triptosa 10.0 g
Peptona 10.0 g
Ext. de Levadura 5.0 g
Na2SO4 0.2 gK2HPO4 3.5 g
PABA 0.01 g
Stock de Minerales 1 ml
Agua destilada c.s.p. 1 litro
pH antes de esterilzar 6.1
MEDIO INDUSTRIAL OPTIMIZADO
Melaza 130 g
Ext. de Levadura 3.0 g
KH2PO4 3.5 g
PABA 4 mgBiotina 3 mg
Stock de Minerales 4 ml
Agua destilada c.s.p. 1 litro
pH antes de esterilzar 6.1
STOCK DE MINERALES
NaMoO4 2.4 g CuSO4.5 H2O 1.7 g
CoCl2.6H2O 0.24 g MgSO4.7 H2O 1.0 g
CaCl2.2 H2O 1.5 g H2SO4 concentrado 12.0 ml
FeCl3. H2O 2.7 g Agua destilada c.s.p. 1 litro
STOCK DE MINERALES
CoCl2.6H2O 0.9 g
FeCl3. H2O 3.0 g
MgSO4.7 H2O 1.3 g
H2SO4 concentrado 12.0 ml
Agua destilada c.s.p. 1 litro
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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FERMENTACIONESMedio de Cultivo
Fermentación acetobu tílica en medio a base de melaza
2. SIERRA et. al. 1995. Obtención de mutantes espontaneas de Clostridium acetobutylicum Resistentes albutanol. Revista Colombiana de Ciencias Químico Farmacéuticas. No.24. 40-44.
1. PARRA et. al. 1995. Evaluación de cepas de Clostridium acetobutylicum para la fermentación acetobutílica.Revista Colombiana de Ciencias Químico Farmacéuticas. No.24. 40-44.
PARAMETRO
Clostr id ium acetobuty l icum
DSM1
1732DSM
1
1732DSM
2
1732IBUN
2
RIBUN
2
IIBUN
2
VIIBUN
2
VIIIBUN
2
IV
Biomasa (g/l) 1.60 2.40 2.40 6.583 1.514 1.643 0.947 1.595
Vel. Esp. Crec. ( ) (h
-1
) 0.116 0.020 0.052 0.021 0.114 0.114 0.079 0.097% Sustrato Consumido 54.0 63.0 65.9 100 44.8 52.6 63.7 60.9
Solventes Totales (g/l) 8.86 12.30 12.30 29.41 5.69 9.29 14.59 17.46
Rendimiento en Biomasa Y (X/S) 0.069 0.071 0.037 0.114 0.068 0.088 0.046 0.073
Rendimiento en Producto Y (P/S) 0.093 0.361 0.343 0.585 0.195 0.254 0.341 0.511
Productividad (g/l*h) 0.093 0.172 0.173 0.196 0.089 0.415 0.166 0.273
Productividad Específica 0.058 0.072 0.072 0.030 0.059 0.252 0.175 0.171
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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FERMENTACIONESCondiciones
TEMPERATURA (ºC)
PARAMETRO25 30 37 40 40/25
Biomasa (g/l) 2.73 2.47 2.59 2.22 2.09
Rendimiento enSolv. Tot (%)
29.1 28.4 25.5 24.5 26.2
Rendimiento enButanol (%)
21.4 21.5 20.0 20.1 20.3
Rendimiento enAcetona (g/l)
6.2 5.8 4.3 3.6 4.6
Productividad 0.47 0.48 0.47 0.60 -----
MCNEIL AND KRISTIANSEN. 1985. Effect of temperature upon growth rate and solvent productionin batch cultures of Clostridium acetobutylicum. Biotechnology Letters. Vol 7. No.7. 499 -502
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
11/69
FERMENTACIONESCondiciones
pHPARAMETRO4.5 5.0 5.5 6.0
Biomasa (g/l) 2.05 2.68 2.30 2.0
% Sustrato Consumido 100 100 99 84
Solventes Totales (g/l) 17.6 18.25 10.63 1.13
Rendimiento enBiomasa Y (X/S)
0.046 0.073 0.088 0.043
Rendimiento enProducto Y (P/S)
0.320 0.332 0.201 0.024
Productividad (g/l*h) 0.303 0.315 0.183 0.019
ProductividadEspecífica
8.585 6.810 4.622 0.565
MONOT et. al. 1984. Influence of pH and undissociated butyric acid on the production ofacetone and butanol in batch cultures of Clostridium acetobutylicum. Applied Microbiology and
biotechnology . No, 19. 422-426
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
12/69
FERMENTACIONESCondiciones (2)
VELOCIDAD DEAGITACIONPARAMETRO
190 340 410
Biomasa (g/l) 3.9 3.18 3.24
Vel. Esp. Crec. ( ) (h-1) 0.336 0.518 0.570
% Sustrato Consumido 100 100 100
Solventes Totales (g/l) 17.1 17.0 15.4
Rendimiento enBiomasa Y (X/S)
0.078 0.064 0.065
Rendimiento enProducto Y (P/S) 0.33 0.324 0.302
Productividad (g/l*h) 0.633 0.630 0.642
Productividad Específica 0.162 0.198 0.198
YERUSHALMI and VOLESKY. 1985. Inmportance of agitation in acetone-butanolfermentation. Biotechnology and Bioengineering . Vol. XXVII, 1297-1305
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
13/69
FERMENTACIONESConcepto Biológico
PRODUCTO CINETICA DEPRODUCCION
AMBIENTEEXTRACELULARCINETICA DECRECIMIENTOPROPIEDADESFISICAS
TRANSPORTE DE
MOMENTUM / MASA / ENERGIA
AGITACION / AIREACION
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
14/69
FERMENTACIONESConcepto Ingenieril
X
HOLD UP
VELOCIDAD DELFLUJO DE GAS
(Vg)
AGITACION
PARAMETROSGEOMETRICOS
BALANCE DEOXIGENO EN LAFASE GASEOSA
Pg / V
Kla
PROPIEDADES REOLOGICAS
MoX
MsX
SoSfFP
BALANCE DEOXIGENODISUELTO
BALANCE DE SUSTRATO
S
Cl*
dX/dtX
t
dP/dtP
t
Cl
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
15/69
FERMENTACIONESRequerimientos (1)
•INTEGRIDAD BIOLOGICA Unicamente crecimiento delmicroorganismo deseado
•ECONOMIA•BUEN MEZCLADO
Medio Ambiente UniformeControl de TemperaturaControl de pHMezclado y liberación de nutrientes yproductos
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
16/69
•ENTRADA/SALIDA DE MATERIALES •BUENA AIREACION
El crecimiento aeróbico es limitado por ladisponibilidad de O2
•CONDICIONES FAVORABLES •ESTERILIZACION•
TRANSFERENCIA DE CALOR •BUEN CONTROL•SEPARACION DE GAS•TIEMPOS DE REACCION CORRECTOS
FERMENTACIONESRequerimientos (2)
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
17/69
FERMENTACIONESCompromiso
MezcladoAireaciónTransferencia de Calor
Integridad
Biológica
Condiciones
Apropiadas
Entrada/SalidaMedidaControl
Bajo Costo
Reúne Todos losRequerimientosTotalmente
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
18/69
FERMENTACIONESCompromiso Optimo
Grado al Cual Todos los Requerimientos son Logrados
Más Fallas de ProducciónCalidad Variable del Producto
Uso Ineficiente de Materias PrimasAltos de Costos de Recuperación
Menos Fallas de ProducciónCalidad Consistente del ProductoUso Eficiente de Materias PrimasMenores Costos de Recuperación
Optimo
Costo Total de Producción
Costo de Equipos
Costo de Operación C o s t o $
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
19/69
FERMENTACIONESDiseño del Bio-reactor
Mantenerlo Simple Minimizar Entradas y Salidas Eliminar Puntos Muertos, Ej. Válvulas, Drenajes
Mantener Partes Internas al Mínimo Lograr el Mejor Compromiso Contra los
Requerimientos Mezclado, Control yCondiciones Apropiadas
Evite los procesos Continuos a Menos que laEconomía de la Escala lo Justifique
Diseñe Procesos Limpios para el Peor de los
Casos
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
20/69
FERMENTACIONESFactores de la Bio-reacción
ENTRADAS
DESEMPEÑO
PATRONES DE
INTERACCION
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
21/69
FERMENTACIONESDesempeño del Bio-reactor
Tipo de Bio-reactor
Función de Factores Biológicos y Físicos.Crecimiento del organismoCinética de la enzimaCo-factores y nutrientes
Densidad celularCompetidores y venenosPatrones de interacción
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
22/69
FERMENTACIONESPatrones de Interacción (1)
Célula Libre enSuspención
CélulaInmovilizada
Película de Fluido
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
23/69
FERMENTACIONESPatrones de Interacción (2)
Zona Muerta en el Mezclado
El transporte en la zonamuerta solo se realiza por difusión
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
24/69
FERMENTACIONESBio-reactor Ideal
Mezclado perfectoComposición uniforme
Composición variableen el tiempo
Mezclado perfectoComposición uniforme
Composición constanteen el tiem o
REACTOR BATCH REACTORES CONTINUOS
TANQUE AGITADO FLUJO PISTON
Mezclado perfecto através del reactor perono a lo largo del mismoComposición variablecon la longitudComposición constanteen el tiempo
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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FERMENTACIONESBio-reactor
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
26/69
FERMENTACIONESBio-reactor
Wb
HL Li
Hb
Wi
Dt
Di
TIPO DEIMPULSOR
Dt /Di HL /Dt Hb /Di Nb Wb /Dt
Turbina RoushtonLi /Di = 0.25, Wi /Di = 0.2
3 1 1 4 0.1
PaletasWi /Di = 0.2
3 1 1 4 0.1
Propela MarinaPitch = D
i
3 1 1 4 0.1
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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DISPERSIÓN DEL AIRE
HOMOGENEIZACIÓN DEL SISTEMA
SUSPENSIÓN DE M..O. Y NUTRIENTES SÓLIDOS
DISPERSIÓN DE LÍQUIDOS NO MISCIBLES
UNA FERMENTACION SE CONSIDERA UN SISTEMA DE TRESFASES QUE IMPLICAN REACCIONES LIQUIDO-SOLIDO,
GAS-SOLIDO Y GAS-LIQUIDO
FERMENTACIONESAGITACION Y MEZCLADO
FASE GASEOSA• Reservorio de O2
• Evacuación de CO2, H2 • H2S, CH4, y
• metabolitos evaporados
FASE SOLIDA• Células Individuales• Bolitas de Micelio
• Sustratos Insolubles• Metabolitos Precipitados
FASE LIQUIDA• Sales
• Sustratos• Metabolitos
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
28/69
FERMENTACIONESMezclado Mecánico
Np :Número de potenciaNre :Número de ReynoldsP :potencia de la agitación (Kg*m/sec)
gc :Factor de Conversión
N :velocidad de agitación (sec-1)Di :diámetro del impulsor (cm)
:densidad del medio (g/cm3)
:viscosidad del medio g/cm*sec)
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
29/69
FERMENTACIONESMezclado Mecánico
Flujo Axial Flujo AxialAlta Eficiencia
Flujo Radial
Alto CorteDispersión de Gases
Flujo RadialDispersiones
Flujo Semi-AxialAlta Viscosidad
Bajo FlujoAlto Corte
Dispersión desólidos y líquidos
Flujo RadialAlto Torque
Alta ViscosidadDispersión de Gases
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
30/69
FERMENTACIONESTransferencia de Oxigeno
O2 Fluido
O2O2Burbuja Célula
Burbujade Gas
Películade Gas
Películade Fluido Fluido
Películade Fluido Célula
Fase Delimitanteentre Gas - Fluido
Fase Delimitante entreFluido y Células
1
2
3
4 5
C* = Po/H
C* = 468 / (31.6 + T)
C* :Conc. de O2 a saturacióndisuelto en la interfase (mM/L)
Po :Presión parcial de O2 en la
fase gaseosaH :Cte. De HenryT : Temperatura (ºC)
NA = KL a (C* - CL) = OTR
NA: Velocidad Volumétrica de
transferencia de O2 (mM 2 /L.h)KL: Coeficiente de Transferencia
en al interfasea: Superficie específica de
intercambioKLa: Coeficiente Volumétrico de
transferencia de O2 (1/h)
CL: Concentración de O2 disuelto(mM/L)
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
31/69
FERMENTACIONESCinética Batch (1)
X Ln (X)
X0 X1
X2
X3
1 2 3 4 5 6
t1 t2 tiempo
dX / dt = X
X1 X2
t1 t2
dX/X = dt
Ln X2
Ln X0 Ln X1
Ln X3
1 2 3 4 5 6
t1 t2 tiempo
= Ln (X2/X1) / (t2 – t1)
td = Ln2 /
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
32/69
FERMENTACIONESCinética Batch (2)
TIEMPO
Producto 2
Producto 1
Biomasa
SustratoSf
Xo
Po
So
XfPf
RENDIMIENTO DE SUSTRATOEN BIOMASA
Biomasa ProducidaSustrato Consumido
YX/S = DX / DS = -(dX/dt)/(dS/dt)
YX/S = -dX/dS = (Xf - Xo)/(So - Sf)
RENDIMIENTO DE SUSTRATOEN PRODUCTO
Producto FormadoSustrato Consumido
YP/S = DP / DS = -(dP/dt)/(dS/dt)
YP/S = -dP/dS = (Pf - Po)/(So - Sf)
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
33/69
FERMENTACIONESCinética Batch (3)
Limpieza
C o n c e n t r a c i ó n d e P r o d u c t o
TIEMPO (h)Llenado
Latencia
Formación deProducto
PRODUCTIVIDAD
Concentración de ProductoTiempo de Fermentación
t = (1/m)*Ln(Xf /Xo) + tL + tD + tT)
P = Xf / [(1/ m)*Ln(Xf /Xo) + tL + tD + tT)]
Fase de Producción
T e r m i n a c i ó n d e l p r o
c e s o
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
34/69
FERMENTACIONESCinética Batch (4)
Acumulaciónde Biomasa
dX/dt
Crecimiento
X
Remociónde Biomasa
Fo X/V
= -
CRECIMIENTO
UTILIZACION DE SUSTRATOAcumulaciónde Sustrato
-dS/dt
Suministrode Sustrato
Fi So/V
Crecimiento
X/YX/S
Síntesis deProducto
qP X/ Yp/S
Mantenimiento
m X
Remociónde Sustrato
Fo S/V
- -- -= -
Acumulaciónde Producto
dP/dt
Síntesis deProducto
qP X/ Yp/S
Remociónde Producto
Fo P/V
= -
Destrucciónde Producto
k P
-
FORMACION DE PRODUCTO
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
35/69
FERMENTACIONESCinética Batch (5)
0.01 a 100 mg/l
max
1/2 max
2 a 200 g/l
S
CONCENTRACION DE SUSTRATO vs.
= max So / (So + Ks)
1/
max Ks
-1/Ks
1/ = Ks/max 1/ S + 1/max
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
36/69
FERMENTACIONESCinética Batch (6)
TIPOS DE FEREMENTACION SEGÚN GADEN
Formación de Producto Directamente
Asociado al Consumo del Sustrato Formación de Producto Indirectamente
Asociado al Consumo del Sustrato
Formación de Producto AparentementeNo Asociado al Consumo del Sustrato
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
37/69
FERMENTACIONESCinética Batch (7)
0
10
20
30
40
50
60
0 2 4 6 8 10 12 14
TIEMPO (h)
A L C O H O L , S U S T R A T O ( g / l )
0
1
2
3
4
5
6
7
B I O M A S A ( g / l )
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 2 4 6 8 10 12 14TIEMPO (h)
A L C O H O L , S U S T R A T
O ( g / l h )
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
B I O M A S A ( g / l h
)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 2 4 6 8 10 12 14
TIEMPO (h)
A L C O H O L , S U S T R A T O ( g / g h
)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
B I O M A S A ( g / g h )
Fermentación Alcohólica(a) Tiempo-Concentración (g/l)(b) Tasas Volumétricas (g/lh)(c) Tasas Específicas (g/gh)
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
38/69
FERMENTACIONESCinética Batch (8)
0
5
10
15
20
25
0 40 80 120 160 200 240 280
TIEMPO (h)
M I C E L I O
( g / l )
0
40
80
120
160
200
240
S U S T R A T O , A C I D O C
I T R I C O ( g
/ l )
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0 40 80 120 160 200 240 280
TIEMPO (h)
M I C E L I O
( g / l )
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
S U S T R A T O , A C I D O C
I T
R I C O ( g / l )
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0 40 80 120 160 200 240 280
TIEMPO (h)
M I C E L I O
( g / g h )
0
0.04
0.08
0.12
0.16
S U S T R A T O , A C I D
C I T R I C O ( g / g
h )
Producción de Acido Cítrico(a) Tiempo-Concentración (g/l)(b) Tasas Volumétricas (g/lh)(c) Tasas Específicas (g/gh)
FERMENTACIONES
8/18/2019 Principios en Fermentaciones
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Producción de Penicilina(a) Tiempo-Concentración (g/l)(b) Tasas Volumétricas (g/lh)(c) Tasas Específicas (g/gh)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
0.0 40.0 80.0 120.0
TIEMPO (h)
M I C E L I O , S U S T R A T O , O X I G E N O ( g
/ l )
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
P E N I C I L I N A ( g / l )
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.0 40.0 80.0 120.0
TIEMPO (h)
M I C E L I O , S U S T R A T O , O X I G E N O ( g / l h )
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
P E N I C I L I N A ( g / l h
)
0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0.0 40.0 80.0 120.0
TIEMPO (h)
M I C E L I O S
U S T R A T O O
X I G E N O ( g / g h
)
0.00050
0.00051
0.00052
0.00053
0.00054
0.00055
0.00056
0.00057
0.00058
P E N I C I L I N A ( g / g h )
FERMENTACIONESCinética Batch (9)
FERMENTACIONES
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So
X, S y P
F1
F2X S
P
FERMENTACIONESBalance del Cultivo Continuo
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESBalance del Cultivo Continuo
BALANCE DE BIOMASA
Cambio Neto Entrada SalidaMuerteCrecimiento -+ -=
dX/dt (F/V)XoX X (F/V)X
Si Xo = 0 y >> , en el estado estacionario dX/dt = 0
-+ -=
= F/V = D
Cambio Neto Entrada SalidaMantenimientoCrecimiento -- -=-dS/dt (F/V)So mX/YX/S mX (F/V)X
Producto-
qpX/YP/S
Si X/YX/S >> mX y qpX/YP/S = 0, entonces: D*(So - S) = X/YX/S
BALANCE DE SUSTRATO
-- -= -
X = YX/S(SO - S)
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESCultivo Continuo
D <
D =
D >
B i o m a s a
Tiempo
FERMENTACIONES
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Tasa de Dilución (D)
X ,
S y P
X
S
P
= max S/(S + KS)
X = YX/S SO - {(KS D) / (max D)}
S = KS D/ (max - D)
Si S = SO, entonces = Dcrítica
Dcrítica = max SO / (SO + KS) (WASH OUT)
Dmáxima = max {1 - [KS / (SO + KS)]1/2}
Xmáxima = YX/S {SO + KS - [KS / (SO + KS)]1/2}
FERMENTACIONESBalance del Cultivo Continuo
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESAplicaciones del Cultivo Continuo
VARIABLES DEPENDIENTES
Tasas Metabólicas
Concentración Celular
Composición Celular
Excreción Celular
Morfología Celular
Velocidad de MutaciónPatrones Metabólicos
Selección de Microorganismos
con una Alta
VARIABLES INDEPENDIENTES
Tiempo
Vel. Específica de Crecimiento
Concentración de Sustrato
Sustrato Limitante
Concentración de Producto
pHTemperatura
Aireación - Agitación (KLa)
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESAplicaciones del Cultivo Continuo
VENTAJAS
Establecer la a la Necesidad
del Experimento
Obtener Células en un EstadoDefinido Independientemente
del Tiempo
Obtener Grandes Cantidadesde Material Celular Definidocon Equipo de Laboratorio
DESVENTAJAS
Aparición de Mutaciones
Deletereas Espontaneas
Falta de Conocimiento de laFisiología Microbiana
Operar Durante largosPeriodos Evitando la
Contaminación del Sistema
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FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESCélulas Inmovilizadas
Consecuencias (1) Facilita la separación de células
Altas concentraciones de células en el reactor
Gradientes internos de condiciones fisicoquímicas dentro delos agregados
Posible formación de gases en el centro de los agregados
Poblaciones heterogéneas Sintrópicas dentro de losagregados
Afecta la velocidad de crecimiento
FERMENTACIONES
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Operar fermentadores continuos a flujo nominales mayores queel “WASH OUT”
Protege de la contaminación
Manipular la en sistemas continuos independientemente de D
Permite la manipulación de las células como una fase discreta
Uso de tamaños óptimos de agregados que conducen a máximasactividades microbianas
Ubicación espacial dentro del reactor de diferentes poblaciones
FERMENTACIONESCélulas Inmovilizadas
Consecuencias (2)
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESCélulas Inmovilizadas
Técnicas ENLACES
ENLACESECUNDARIO
ADSORCION ABSORCION FLOCULACION
ENLACECOVALENTE
UNION A
SOPORTE
ENTRECRUZAMIENTO
FERMENTACIONES
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FIBRAS
POLIMEROS
PRECIPITACIONGELIFICACION
MICROENCAPSULACION
TEMPERATURA IONOTROPICA
FERMENTACIONESCélulas Inmovilizadas
Técnicas de Inmovilización (2)
ATRAPAMIENTO
ATRAPAMIENTO FISICO
POLIMERIZACION
MONOMEROS OLIGOMEROS
ENTRECRUZAMIENTOCOVALENTE
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESCélulas Inmovilizadas
Reactores
AIRESUSTRATO
P R OD U C T O
SUSTRATO PRODUCTO
SUSTRATOP R OD U C T O
RECIRCULACION
VENTEO
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESCélulas Inmovilizadas
Selección del Reactor Viabilidad Celular Tipo de Soporte
Técnica de Inmovilización Naturaleza del Sustrato Cinética de las Reacciones Requerimientos Operacionales
Facilidad de Reemplazo del Catalizador Consideraciones Hidrodinámicas Facilidad de Diseño, Fabricación y Escalado Costos del Reactor
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESRecuperación del Producto
Esquema de Procesos Biomasa en el Fermentador/ReactorProducto enBiomasaSeparacióndel Caldo
SedimentaciónFiltraciónCentrifugación
Producto o Desechosde la Biomasa
Liberación del Producto ode Especies no Deseadas
de las Células
Desintegración
de Células mecánicafísicaquímicaenzimática
Extracción Directa
desd e las Célu lassolventesdetergentes
Producto en Caldoo Fase Acuosa
Separadores/Purificación
PrecipitaciónExtracción con solventesIntercambio iónicoAdsorciónFiltración en gelMétodos de afinidadDestilaciónElectroforesis
UltrafiltraciónCongelamiento diferencialLiberación del Producto desde los Fragmentos
Lixiviar
ReactorSeparador
Secar
Bandejas, rodillos, tambores, etc.Secado por aspersión
Lecho fluidosLiofilización
Concentrar
Evaporación, MembranasPrecipitación, Adsorción
Intercambio iónicoCongelar - Descongelar
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESRecuperación del Producto
Ruptura de Células METODOSMECANICOS
MEDIOLIQUIDO
MEDIOSOLIDO
ULTRASONIDO
AGITACION
MECANICAMickleBlendingSonomec
PRESIONFrench pressureRibi fractionater
Chaifoff press
TRITURARMortero y pistiloMolino de bolas
PRESIONHughes press
X press
METODOSNO - MECANICOS
DESECACION Aire
VacioLiofilizaciónSolventes
LISIS
FISICA
Shock OsmóticoCambios de Presión
Congelamiento
QUIMICADetergentes
Glicinasolventes
BIOLOGICAEnzimas
Fagos
Antibióticos
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESRecuperación de Producto
INSULINAHUMANA
(1979)
Extracción del Pelletde Centrifugación con
Agente Caotrópico (GuHCl)
Dialisis del Sobrenadantede la Centrifugación
Ruptura con CNBrdel Precipitado
de la Diálisis
Extracción del Residuocon GuHCl y S-Sulfonación
Diálisis
Precipitado
(cadena B)
Cromatografía enDAE-Celulosa
Filtración en gel
Precipitación delSobrenadante
a pH 5 (Cadena A)
Cromatografía enAminoetil Celulosa
HPLC en fase Reversa
Separación de E. co li
FERMENTACIONES
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HORMONA DE CRECIMIENTO
HUMANA (1981)
INTERFERON DE LEUCOCITOS
HUMANOS (1981)
Extracción de E. co li por Ruptura Mecánica
Precipitación con Polietileneimina
Precipitación del sobrenadantecon (NH4)2SO4
Diálisis del Precipitado
Cromatografía de Intercambio Aniónicoen Celulosa del Precipitado Disuelto
Cromatografía de IntercambioCatiónico en Celulosa
Precipitación con (NH4)2SO4
Filtración en Sephacryl S-200
Cromatografía de Afinidad
(Anticuerpos Monoclonales)
Cromatografía de IntercambioCatiónico en Celulosa
FERMENTACIONESRecuperación de Producto
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESEscalado
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FERMENTACIONES
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESEscalado
Pertinencia y Estabilidad de la CepaDiseño del FermentadorComposición del medio de FermentaciónPerfil de la FermentaciónDiseño del ReactorControl del ProcesoOptimización del Proceso
Sistematización del ProcesoSeparación del ProductoRecuperación del ProductoPureza Final del Producto
Diseño de la Planta
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FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESMetabolismo
Núcleo RNA Ribosomas Mitocondria
DNA Ribonucleótidos Flagelos
Desoxiribo-nucleótidos
Vitaminas
Coenzimas
Aminoácidos
Hexosaminas
Mucopéptidos
Almidón
Glucosa
Triosa Pentosa
Piruvato
Acetil-CoA
CitratoOxalacetato
Azúcares ácidos
PolisacáridosAzucares
Glicerol
Acidosgrasos
Lípidos
Membranas
Proteinas
Pared Celular
Aminoácidos
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESMetabolismo: Regulación
CATABOLITO
Sustrato Producto
Enzima AX
Enzima B
Traducción
Transcripción
de ActividadEnzimática
Sustrato
X
X
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESMetabolismo
Inhibición por Retroalimentación E
A B CD
F G
H
A B CD
F G
H
A B CD
F G
H
E
E
Isoenzimas
Concertada
Acumulativa
FERMENTACIONES
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Fosfoenolpiruvato + eritrosa-4-P
FERMENTACIONESMetabolismo
Regulación Retroalimentada
3-desoxi-D-
arabinoheptulosonato-7-P(DAHP)
Corismato
Antranilato Prefenato
L-fenilalaninaL-tirosina
L-triptófano
a
-oxobutirato Piruvato
a
-ceto-a
-hidroxibutirato
a
-b
-dihidroxi-b
-metilvalerato
a
-oxo-b
-
metilvalerato
a
-acetolactato
a
-b
-dihidroxi-b
-metilbutirato
a
-oxo-b
-
metilvalerato
L-isoleucina L-valina
L-leucina
(i+v+l)
(i+v+l)
(i+v+l)
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESMetabolismo
Biosíntesis de Metabolitos Primarios ALTERACION DE LA REGULACION
POR RETROALIMENTACIÓN
Acumulaciónintermediarios
Acumulación deproductos finales
Fosoforibosilpirofisfato
IMP
Adenina exógena
AMP
S-AMP
PRPP
amidotransferasa
XMP
GMP
Aspartato
Aspartilfosfato
Aspartato semialdehido
Homoserina
Treonina
Isoleucina
MetioninaLisina
ALTERACION DE LAPERMEABILIDAD
Carencia dea
-cetoglutaratodeshidrogenasa
Limitaciónen Biotina
+
Superproducciónde Glutamato
FERMENTACIONES
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FERMENTACIONESMetabolismo
Biosíntesis de Metabolitos Secundarios EFECTO
PRECURSOR
INDUCCIONENZIMATICA
REGULACION PORRETROALIMENTACION
REGULACION PORCATABOLITO
Acido fenilacético Benzilpenicilina (Penicilina G)
Metionina Cefalosporina C
Agroclavina
Elymoclavina
Dimetilalil
transferasa
LisinaHomocitrato
sintetasa
a
-Amino
adipato
Benzil
penicilinaGlucosa
PenicilinaLactosa
Cephalospori um acremonium
Claviceps fusi formis
Penicil li um chrysogenum
Acido fenoxiacético Fenoximetilpenicilina (Penicilina V)
Acido Alilmercaptoacético Fenoximetilpenicilina (Penicilina O)
Glucosa
Acido CítricoNovobiocina Streptomyces ni veus
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