Equipo 4. Fermentación Cinética (1) 6b46s

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD XOCHIMILCO División de Ciencias Biológicas y de la Salud Módulo: Obtención de Metabolitos de Interés Industrial para la Salud

Parámetros cinéticos de las fermentaciones Integrantes: Moctezuma Beltran Cassandra Reyes del Real Alicia Mucuy Castillo Valtierra Lorena

Docente: Ortega Vázquez Alberto

Fecha de entrega: 25/05/17

Cinética de fermentación Introducción La cinética de fermentación como disciplina apenas ha avanzado más allá de la étapa de las definiciones y la clasificación.

Gaden (1955-1959) definió los términos básicos, propuso un sistema de clasificación cinética para los procesos de fermentación y formuló un nuevo enfoque sobre los procesos de fermentación cinética. La cinética de los procesos de fermentación: Estudia las velocidades generales de reacción totales y los pasos enzimáticos individuales dentro de la célula.

Los estudios cinéticos son necesarios para determinar un óptimo diseño del proceso.

Variables en los procesos de fermentación La interacción del organismo con el sustrato en una fermentación tiene lugar bajo ciertas condiciones definidas, así como la interacción de reaccionantes en presencia de un catalizador que se produce en un reactor. Gaden enumera condiciones importantes a considerar: • Temperatura

• pH • Suministro de nutrientes • Suministro de oxígeno • Agitación

• Concentración del producto

Rendimiento Se define como la relación entre el producto obtenido y el sustrato consumido. El rendimiento global es un parámetro de diseño muy importante en muchos procesos de fermentación. Este rendimiento global se representa normalmente en forma de coeficientes de rendimiento (Y). El rendimiento celular se define a través del concepto de nutriente limitante. En muchos casos existen más de un nutriente u otros factores que intervienen en la velocidad de crecimiento celular, pero para simplificar se considera siempre que sólo uno es el esencial y el más importante. El sustrato normalmente es la fuente de Carbono.

El rendimiento está en función de tal fuente de Carbono usada y las condiciones del proceso.

El consumo de sustrato no está dedicado sólo a la producción de biomasa. Éste tiene tres cometidos: • Para asimilación de los microorganismos como material celular. • Provisión de energía para la síntesis celular.

• Energía para el mantenimiento del cultivo.

Representa el consumo total del sustrato:

Existen otros rendimientos referidos a otros parámetros del proceso o en función de otras variables.

• Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo total de substrato (Yx/s) • Coeficiente de rendimiento de producto basado en el consumo total de substrato (Yp/s)

Donde: S0: concentración inicial de azúcares totales (gL-1). S: concentración final de azúcares totales (gL-1) hasta el tiempo en que P es máximo. P: concentración máxima de ácido láctico (gL-1). X: concentración inicial de biomasa (gL-1). X0: concentración final de biomasa (gL-1).

Productividad máxima Productividad: Se define como la concentración del producto final dividida por el tiempo desde la inoculación hasta la entrega del lote.

Es la concentración máxima de producto Para obtener la Pmax, se toman cuatro puntos de la curva de producción del producto contra tiempo que dan la pendiente máxima (mmax).

Tasas y productividad Tasas importantes en fermentaciones:

- Tasa de crecimiento de la biomasa - Tasa de consumo de los sustratos - Tasa de producción del metabolito de interés Tasa de fermentación: Se define como la tasa instantánea de variación de cualquier factor de concentración (sustrato, producto, célula, etc).

Se han propuesto dos bases para expresar las tasas de fermentación: a)

Bases volumétricas: se refiere a las tasas volumétricas o las tasas de cambio de la concentración con el tiempo. Sus unidades son masa (g) del producto (células o metabolito), o del sustrato utilizado, por litro por hora. Son preferidas para el diseño de procesos, especialmente para sistemas continuos, porque incluyen un término de volumen.

b)

Bases específicas: se refiere a las tasas específicas o a las tasas volumétricas divididas por la concentración celular. Sus unidades son masa (g) del producto, o sustrato utilizado, por hora por masa celular (g). Son las más utilizadas para el análisis cinético y otros estudios fundamentales de las fermentaciones porque revelan mejor la actividad celular.

Tasas de producción

Productividad: Concentración del producto (metabolito o células) obtenido por unidad de tiempo. Sus unidades son masa del producto por unidad de volumen por unidad de tiempo.

• Productividad volumétrica del producto formado (Qp): 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑄𝑝 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑙𝑡𝑖𝑣𝑜

𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑄𝑝 = (𝐿)(ℎ)

• Velocidad o tasa específica de producción (qP): Es la velocidad a la cual las células producen el metabolito de interés.

Se puede expresar como: 𝑞𝑃 =

O, en términos de rendimiento:

𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 (𝑔 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎)(ℎ)

Tasa de consumo • Velocidad o tasa específica de consumo de sustrato (qS): Es la velocidad con la que el microorganismo consume el sustrato presente en el medio.

Se puede expresar como:

O, en términos de rendimiento:

𝑔 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑞𝑆 = (𝑔 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎)(ℎ)

Ejemplo

Cálculo de parámetros cinéticos:

Resultados:

Referencias • http://www.ibt.unam.mx/alfredo/ClaudiaIbethHernandez.pdf (ejemplo) • http://www.scielo.org.co/pdf/rfiua/n55/n55a06.pdf • http://www.unavarra.es/genmic/micind-2-2.htm • http://dungun.ufro.cl/~CyT/Reactores/descargables/Gaden.pdf • R. Luedeking. Fermentation Process Kinetics (capítulo 6)

Producción y caracterización parcial de la enzima α-amilasa de Bacillus sp. BCC 01-50 y aplicaciones potenciales

• La amilasa es una enzima industrialmente importante y se aplica en muchos procesos industriales tales como la sacarificación de materiales almidonados, alimentos, productos farmacéuticos, detergentes y textiles • La amilasa hidroliza las moléculas de almidón en unidades de dextrina, maltosa y finalmente glucosa.

• La amilasa microbiana se prefiere sobre otros tipos de amilasa obtenidos de plantas y animales debido a su mayor tasa de producción, estabilidad y fácil disponibilidad de un gran número de cepas microbianas. Actualmente, la producción de amilasa ha alcanzado hasta el 65% del mercado de enzimas en el mundo y está aumentando continuamente

Efecto de la velocidad de agitación (0-200 rpm) sobre la producción de amilasa y el crecimiento celular a 37 ° C, pH inicial 7,0 durante 48 h.

La cinética de crecimiento de Bacillus sp. BCC 0150 y el consumo de azúcar en medio sintético.

Perfil en lotes de la producción de amilasa y Bacillus sp. BCC 01-50 en medio sintético

Efecto de la fuente de carbono (concentración inicial de 20 g / l) sobre la producción de α-amilasa y crecimiento bacteriano a 37 ° C, pH inicial de 7,0 durante 60 h.

Efecto de la concentración de melaza (5-50 g / L) sobre el título de producción de amilasa y Bacillus sp. BCC 01-50 de crecimiento cuando se ocupa un incubador de agitación a 37 ° C, pH inicial de 7,0 durante 60 h.

Efecto de la fuente de nitrógeno (concentración inicial de 10 g / L) sobre la biosíntesis de amilasa de nuevos microorganismos termofílicos Bacillus sp. BCC 01 - 50. El experimento se realizó en un medio mineral de melaza (30 g / L), y el cultivo se incubó a 37 ° C durante 60 h.

Efecto de la concentración de extracto de carne (530 g / L) sobre el título de amilasa y el crecimiento celular. El experimento se realizó en un medio de fermentación que contenía una concentración variable de extracto de carne, y el cultivo se incubó a 37ºC durante 60 h.

Efecto del pH inicial sobre la producción de amilasa y el crecimiento bacteriano a 37 ° C durante 60 h en un medio mineral que contiene melaza (30 g / L) y extracto de carne (15 g / L) como fuentes de carbono y nitrógeno, respectivamente.

Efecto de la temperatura de fermentación sobre la producción de amilasa y crecimiento microbiano durante 60 h. El medio contenía inicialmente melaza (30 g / L) y extracto de carne (15 g / L) como fuentes de carbono y nitrógeno, respectivamente. El pH inicial fue 8.

Se estudió el tamaño del inóculo (0,5 a 10% v / v) sobre la actividad de la amilasa y el crecimiento bacteriano. El cultivo bacteriano se cultivó durante 24 h en cultivo de semillas y se añadió una concentración diferente en el medio de fermentación. El cultivo se incubó a 50 ° C durante 60 h, y el pH inicial se ajustó a 8 en un incubador de agitación.

Efecto del pH sobre la actividad y la estabilidad de la amilasa. Para evaluar la actividad del pH, se midió el porcentaje de actividad relativa incubando la enzima con sustrato a diferentes valores de pH

Efecto de la temperatura sobre la actividad de la amilasa. La enzima se mezcló con el sustrato y se incubó a diferentes temperaturas durante 1 h. El porcentaje de actividad relativa se midió en condiciones de ensayo. La termoestabilidad de la amilasa se determinó incubando enzima a diferentes temperaturas sin adición de sustrato durante 1 h. El porcentaje de actividad relativa se verificó en condiciones de ensayo. Los resultados son el promedio del experimento triplicado.

Rendimiento de lavado con agua y amilasa bruta producida a partir de Bacillus sp. BCC 01 - 50. Rendimiento de lavado de detergentes comerciales y con amilasa bruta producida a partir de Bacillus sp. BCC 01 - 50.

Eficiencia de hidrólisis de la amilasa producida por Bacillus sp. BCC 01-50 para diferentes materiales almidonados, incluyendo almidón soluble, almidón de trigo, almidón de maíz y almidón de patata. 1% de almidón se mezcló con la enzima amilasa en bruto y la reacción se incubó a 65 ° C durante 120 minutos.