principios en fermentaciones

8/18/2019 Principios en Fermentaciones

1/69

FERMENTACIONESElementos

MICROORGANISMOS

O FRACCIONES

NUTRIENTES

CONDICIONES FISICOQUIMICAS

MICROORGANISMOSCO2, H2,SH2, CH4

PRODUCTOS


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


3/69


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.


4/69


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


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






6/69

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






7/69

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


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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


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



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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


10/69

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


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


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


13/69

FERMENTACIONESConcepto Biológico

PRODUCTO CINETICA DEPRODUCCION

AMBIENTEEXTRACELULARCINETICA DECRECIMIENTOPROPIEDADESFISICAS

TRANSPORTE DE

MOMENTUM / MASA / ENERGIA

AGITACION / AIREACION


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


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


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)


17/69

FERMENTACIONESCompromiso

MezcladoAireaciónTransferencia de Calor

Integridad

Biológica

Condiciones

Apropiadas

Entrada/SalidaMedidaControl

Bajo Costo

Reúne Todos losRequerimientosTotalmente


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 $


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


20/69

FERMENTACIONESFactores de la Bio-reacción

ENTRADAS

DESEMPEÑO

PATRONES DE

INTERACCION


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


22/69

FERMENTACIONESPatrones de Interacción (1)

Célula Libre enSuspención

CélulaInmovilizada

Película de Fluido


23/69

FERMENTACIONESPatrones de Interacción (2)

Zona Muerta en el Mezclado

El transporte en la zonamuerta solo se realiza por difusión


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


25/69

FERMENTACIONESBio-reactor


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


27/69

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


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


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


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


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


32/69


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


33/69


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


34/69


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


35/69


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


36/69


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


37/69


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


38/69


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


39/69

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 )


FERMENTACIONES


40/69

So

X, S y P

F1

F2X S

P

FERMENTACIONESBalance del Cultivo Continuo

FERMENTACIONES


41/69


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


42/69

FERMENTACIONESCultivo Continuo

D <

D =

D >

B i o m a s a

Tiempo

FERMENTACIONES


43/69

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}


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


Consecuencias (2)

FERMENTACIONES


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Técnicas ENLACES

ENLACESECUNDARIO

ADSORCION ABSORCION FLOCULACION

ENLACECOVALENTE

UNION A

SOPORTE

ENTRECRUZAMIENTO

FERMENTACIONES


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FIBRAS

POLIMEROS

PRECIPITACIONGELIFICACION

MICROENCAPSULACION

TEMPERATURA IONOTROPICA


Técnicas de Inmovilización (2)

ATRAPAMIENTO

ATRAPAMIENTO FISICO

POLIMERIZACION

MONOMEROS OLIGOMEROS

ENTRECRUZAMIENTOCOVALENTE

FERMENTACIONES


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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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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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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


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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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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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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principios en fermentaciones

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