Biorreactor

Biorreactor: Aparato o sistema que contiene un ambiente biológicamente activo.
En el ocurren
reacciones bioquímicas gracias a la acción de microorganismos (muchas reacciones) o enzimas
(pocas reacciones).
MICROORGANISMOS
Procariontes Sin núcleo ni organelos
Estructura celular Eucariontes Con núcleo y organelos
Aerobio Aceptor de electrones es el oxígeno
Anóxico Aceptor de electrones diferente a O2, como sulfato o nitrato
Metabolismo Anaerobio Aceptor de electrones es la materia orgánica
Autótrofo Uso de C inorgánico
Fuente C Heterótrofo Uso de C orgánico
Quimiótrofo Metabolización de compuestos orgánicos
Fuente E Fotótrofo Utilización de la luz
Todas las transformaciones biológicas se realizan en presencia de agua, los biocatalizadores
trabajan a T moderadas (10-60°C) y a P atmosférica. Las únicas formas de vida capaces de vivir
sobre los 65 ° C son las procariontes. Los cambios de tipo genético pueden mejorar las
propiedades de una bacteria.
La fermentación es un proceso mediante el cual los microorganismos obtienen E, son sin consumo
de oxígeno (Anaeróbico).
Metabolismo, es la suma de procesos físicos y químicos que ocurren en la célula mediante el cual
esta obtiene E para realizar tareas, automantenerse y reproducirse. Puede ser:
 Catabolismo: Reacciones de degradación de moléculas complejas, de naturaleza oxidativa,

son reacciones exérgonicas (Liberan E). Por ejemplo la respiración celular.
 Anabólicas: Reacciones de síntesis de moléculas complejas, de naturaleza reductiva, son
reacciones endergónicas (Absorben E). Por ejemplo la síntesis de proteínas.
Microorganismo de interés industrial debe:
 Ser normalmente un cultivo puro

 Reproducirse en condiciones de laboratorio y de la planta industrial
 Crecer rápidamente
 Usar un medio de cultivo asequible y barato
 Entregar el producto deseado en el menor t y de la forma más directa
 Susceptible a la manipulación genética
Las enzimas son proteínas biológicamente activas, de estructura molecular compleja, tienen
presencia de un sitio activo (llave-cerradura); su actividad depende directamente de las
condiciones ambientales. Su actividad se mide como la velocidad de aparición de producto o
desaparición de sustrato; la actividad decrece con el t. De fuente animal, vegetal o microbiana.
Crecimiento microbiano: Se origina a partir del consumo de sustratos que suministran E y materia
prima para el metabolismo, las bacterias se reproducen por división (2n). El t de duplicación es
entre 20 minutos a varios días.
Existen diferentes métodos para cuantificar el crecimiento como el recuento en celda (conteo N°
células), recuento en placa (conteo N° colonias), peso seco (medición directa), nefelometría
(dispersión de la luz) o turbidimetría (transmisión de la luz).
Fases del crecimiento microbiano
 El sustrato o nutriente limitante

es el primero que se consume,
es decir determina la máxima
cantidad de biomasa.
 El crecimiento celular se define
en función del sustrato limitante
que es el encargado de
controlar la velocidad.
Los rendimientos se encargan de relacionar el crecimiento de biomasa con el consumo de sustrato

o la producción de producto. Dependen de la fuente de C utilizada y de las condiciones, pueden
variar a lo largo del proceso. Su valor puede ser mayor a 1, no poseen máximo.
La cantidad de sustrato total es la suma de:
 Sustrato utilizado para crecimiento

 Sustrato utilizado para mantención de viabilidad celular
 Sustrato utilizado para producción de metabolitos extracelulares (Productos)
Para casos de metabolismo aerobio se utiliza en el rendimiento un f entre 0,5 y 0,6 mientras que
para el metabolismo anaerobio se utiliza un f de 0,1.
Los rendimientos teóricos pueden ser calculados a través de datos experimentales.
Las cinéticas de crecimiento pueden ser inhibidas por producto o por sustrato; además puede
existir crecimiento con más de un sustrato. En el caso de microorganismos aerobios existe doble
limitación que sería el sustrato y el oxígeno.
Tipos de metabolitos:
 Tipo l: Asociado al crecimiento, la formación está asociada al consumo de sustrato. Por

ejemplo la fermentación alcohólica.
 Tipo ll: Parcialmente asociado al crecimiento, la formación depende indirectamente del
consumo de sustrato. Por ejemplo producción de ácido cítrico.
 Tipo lll: No asociado al crecimiento, la formación no está asociada al consumo de
sustrato. Por ejemplo formación de metabolitos secundarios como antibióticos.
Medios de cultivo:
 Todos los nutrientes requeridos para el crecimiento celular deben ser proporcionados por
el medio de cultivo. Por ejemplo (C, H, O, N, Mg, S, entre otros).
 La fuente de E se obtiene del catabolismo de la fuente de C.
 La fuente de C: Para heterótrofos es CO2 y para autótrofos carbonato o bicarbonato.
 La fuente de N: Amonio, aminoácidos, proteínas, nitrato, etc.
Para cultivar un microorganismo se deben conocer sus demandas nutritivas, su capacidad

asimilativa, sus requerimientos ambientales, sus inhibidores y sus activadores. Primero diseñamos
un medio de cultivo, se establece una estrategia de alimentación y luego se escoge o se diseña un
recipiente para la reacción.
Medio de cultivo complejo:
 Formulados en base a desechos y/o extractos naturales.

 Pueden requerir suplementación de nutrientes específicos.
 Melaza, licos de maíz, extracto de levadura, entre otros
 Costo reducido
 La composición puede ser variable.
Medio de cultivo definido:
 Formulados en base a compuestos puros

 Composición química definida
 Utilizados en investigación y desarrollo, permiten mejor control de las condiciones
En casos ideales se debe buscar un KS pequeño y un µ grande.

Nomenclatura Significado Unidad
Peso MS Peso Microorganismo g
µ Velocidad específica crecimiento 1/h, h-1
X Concentración biomasa g/L
t tiempo h
td tiempo de duplicación h, min
YX/S Rendimiento biomasa/sustrato
ΔX Cantidad de biomasa producida g
ΔY Cantidad de sustrato utilizado g
ΔST Sustrato total g
ΔSC Sustrato para crecimiento g
ΔSm Sustrato para mantención g
ΔSP Sustrato para producción g
Y0X/S Rendimiento teórico máximo
m Coeficiente mantención g sustrato/g biomasa*h
YP/S Rendimiento producto/sustrato
ΔP Cantidad de producto producido g
PMC Producción metabolitos celulares
qP Productividad específica g producto/g biomasa*h
S Concentración sustrato limitante g/L
rx Velocidad neta producción biomasa g/L*h
KS Constante de afinidad g/L
KIS Constante de inhibición sustrato g/L
Ci Concentración del inhibidor g/L
Ci* Concentración crítica del inhibidor
Kd Velocidad decaimiento celular
K Regula cuanto crece la población

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Biorreactor: Aparato o sistema que contiene un ambiente biológicamente activo.

 Catabolismo: Reacciones de degradación de moléculas complejas, de naturaleza oxidativa,

Microorganismo de interés industrial debe:

 Ser normalmente un cultivo puro

Fases del crecimiento microbiano

 El sustrato o nutriente limitante

Los rendimientos se encargan de relacionar el crecimiento de biomasa con el consumo de sustrato

La cantidad de sustrato total es la suma de:

 Sustrato utilizado para crecimiento

Los rendimientos teóricos pueden ser calculados a través de datos experimentales.

 Tipo l: Asociado al crecimiento, la formación está asociada al consumo de sustrato. Por

Para cultivar un microorganismo se deben conocer sus demandas nutritivas, su capacidad

Medio de cultivo complejo:

 Formulados en base a desechos y/o extractos naturales.

Medio de cultivo definido:

 Formulados en base a compuestos puros

En casos ideales se debe buscar un KS pequeño y un µ grande.

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