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Balance de materia en bioprocesos

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Balance de materia en bioprocesos

  1. 1. BALANCE DE MATERIA EN BIOPROCESOSadapatricia33@yahoo.es
  2. 2. ALREDEDORES ALREDEDORES SISTEMASistema cerrado Sistema abiertoproceso discontinuo proceso continuo• Sistema se encuentra separado de los alrededores, los cuales son el resto del universo.• El limite del sistema puede ser real como las paredes de un fermentador o imaginario.
  3. 3. SISTEMA ESTACIONARIO• Cuando todas las propieades del sistema como son temperatura, presion, concentracion, volumen, masa, etc no varian con el tiempo.ECUACION GENERAL DE BALANCE DE MATERIAEntrada - salida + generación – consumo = acumulaciónSistema continuo en estado estacionarioCuando Acumulación = 0Entrada + generación = Salida + consumo
  4. 4. CUANTIFICACION DELCRECIMIENTO MICROBIANOEstudio cuantitativo de la cinética defermentaciones.Métodos experimentales sencillos paradeterminar el crecimiento de poblacionesmicrobianasConsiderar el modo de reproducción delas células
  5. 5. Las células procarióticas bacterianas sereproducen por fisión binaria sin que seaposible diferenciar una célula madre de unacélula hija.Edad máxima c/célula es el lapsocomprendido entre dos replicacionessucesivasEdad de cultivo es el tiempo transcurridodesde la inoculación.
  6. 6. Las bacterianas se presentan en formaindividual o en asociaciones débiles depocos individuos,pudiendo serdispersadas homogéneamente en elmedio de cultivoLas eucarióticas como levaduras sedesarrollan en células individualesfácilmente dispersables que sereproducen por gemación produciendouna célula hija y una célula madre.
  7. 7. Cultivo de levaduras es heterogéneo encuanto a la edad y por lo tanto elestado fisiológico de las células que locomponen. Los hongos por crecimiento apicalformando hifasCaracterísticas reológicas no-newtonianas.
  8. 8. Métodos de cuantificacióndel crecimiento microbiano
  9. 9. Método Fundamento Observaciones Conteo directo NoRecuento en celda de células Requiere células individuales Nefelometría Conteo directo No RCI Influencias de las de células condiciones de incubación N.M.P. Dispersión de luz Requiere cultivo homog. y traslúcido Peso Seco Estadístico RCI y medio limpio Turbimetría Transmisión de luz RCI y medio limpio Vol. empacado Centrifugación Poco preciso Físico Químicos Variados indirectos ∆η, pH, análisis de Comp. celulares, etc Balance de masa Conservación de Gran cantidad de datos masa analíticos
  10. 10. dX = µ.Xdt X t∫X ∫ dX = µ . dt 0 X 0X = Xo. e.t 1 dX d(lnX) Δ(lnX) μ= . = = X dt dt Δt
  11. 11. 1 dX d(lnX) Δ(lnX) μ = . = = X dt dt Δt X = Xo. eµ.tX Ln X µ t t
  12. 12. Se estudia el crecimiento celular de un microorganismo obteniendo los siguientes datos t X dias celulas/ml 0 4.50E+05 2 1.77E+06 2.5 2.13E+06 0.2 5.20E+05 3 3.55E+06 0.5 6.50E+05 3.5 4.02E+06 1 8.10E+05 4 3.77E+06 4.5 2.20E+06 1.5 1.22E+06a) Calcular la velocidad específica del crecimiento celulardurante la fase de crecimientob) El tiempo de duplicación del cultivo
  13. 13. 4.5E+06 16 4.0E+06 15.5 3.5E+06 15 3.0E+06 14.5 2.5E+06 Ln X 14X 2.0E+06 13.5 1.5E+06 1.0E+06 13 5.0E+05 12.5 0.0E+00 12 0 1 2 3 4 5 Tiempo (dias)
  14. 14. 15.5 15 14.5Ln (X) 14 13.5 ln X = 13.01+0.67 t 13 R2 = 0.99 12.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Tiempo (dias)
  15. 15. Estequiometría del crecimiento El crecimiento de las células obedece la ley de Conservación de Energía y Materia Los átomos de (C), (O), (N) y otros elementosconsumidos durante el crecimiento se incorporan a las nuevas células o se expulsan como productos
  16. 16. SUSTRATO Fuente de N Biomasa o célulasCwHxOyNz + aO2 + b HgOhNi  c CHON +dCO2 + eH2O (I) W=6, X=12, Y=6 y Z=0a, b, c, d y e Coef. Estequiom. Aprox. macroscópica C,H,O y N 95% C 50 Na 1 N 20 Ca 0.5 O 14 Mg 0.5 H 8 Cl 0.5 P 3 Fe 0.2 S 1 Otros 0.3 K 1 Composición de la bacteria Escherichia coli
  17. 17. Calculo de CoeficientesCwHxOyNz + aO2 + b HgOhNi  c CHON +dCO2 + eH2O (I) Balance de C : w = c + d : (i) a Balance de H : x + b g = cα + 2e : ii) b c Balance de O y + 2a + bh = cβ + 2d + e (iii) d Balance de N z + bi = δc (iv) e COEFICIENTE Moles CO producidos de 2 d RQ= = RESPIRACION Moles O consumidos de 2 a Debemos estar seguros que el sustrato no se utiliza para sintetizar otros productos extracelulares que no sean CO2 y H2O Resolviendo el sistema de ecuaciones Lineales
  18. 18. • Las bacterias tienden a tener contenidos de nitrogeno ligeramente mayores (11-14%).• Los hongos tiene (6.3 – 9%)• Cuando no se dispone de la composición puede utilizarse como formula general : CH1.8O0. 5N1.2 este es el peso molecular medio de la biomasa basado en los contenidos C,H,O,N es por lo tanto 24.6, aunque existe normalmente un 5 - 10% de ceniza residual que no se incluye en la formula.
  19. 19. 14 y = -0.461x + 11.675 12 R 2 = 0.9999C{e lula s [g/l] 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 Sustra to [g/l]
  20. 20. Rendimiento de biomasa ( Yx/s) DURANTE el CRECIMIENTO existe una relación lineal entre [Biomasa] producida y el [Sustrato] consumido g células producidas MWCélulas Yx/s = Yx/s = c g sustratoconsumido MWSustratoYx/s = k durante el crecimiento, su valor deter. experim.puede utilizarse para calcular el coef. estequiom. CMw = peso molecular.Para utilizar esta ecuación el sustrato no se debe utilizarpara sintetizar otros productos que no sean CO2 y H2O.
  21. 21. Estequiometría del producto (II)CwHxOyNz + aO2+ b HgOhNi  cCHαOβNδ +dCO2+eH2O + fCjHkOlNmSUSTRATO Fuente de N Biomasa Producto Rendimiento de producto a partir del sustrato: Yp/s g producto formado Yp/s = g sustrato consumido MW Y p/s = f P roducto MW Sustrato
  22. 22. Se debe asegurare de que el sistemaexperimental utilizado para medir Yp/scorresponde a la ecuación (II)No puede aplicarse a la producciónmetabólica secundaria como la fermentaciónde la penicilinaFormación de producto debe estar asociadodirectamente con el crecimiento celular
  23. 23. Balance de electronesy grado de reducción  [H2O]= kBalances de H y O pueden presentar dificultadesConservación de potencia reductora o electronesdisponiblesSi no se conoce la composición de las celulas el B puedetomarse como 4.2 Electrones disponibles Al número de electrones disponibles para transferir al O2 en la combustión del sustrato a CO2, H2O y compuestos que contengan nitrógeno
  24. 24. Se calcula a partir de la valencia de su elementos C 4 S 6 H 1 -3 NH3 O -2 N 0 N2 P 5 5 NO3
  25. 25. CwHxOyNz + aO2+ b HgOhNi  cCHON +dCO2+eH2O + fCjHkOlNmSe define como el número de equivalentes de electrones disponiblesen aquella cantidad de materia que contenga 1 g átomo de carbono Origen Fórmula # de electrones Grado de disponibles reducción Biomasa CHαOβNδ 4 + α - 2β - 3δ 4+α -2β-3δSustrato Cw Hx O y Nz 4w + x - 2y - 3z (4w + x – 2y-3z)/wProducto CjHkOlNm (4j + k - 2l - 3m)/j 4j + k - 2l – 3m
  26. 26. Composición elemental y grado dereducción para algunos microorganismos(en relación al NH3)
  27. 27. BALANCE DE MASA Y ENERGIA Demanda teórica de oxigeno La demanda de oxígeno (a) está directamente relacionado con los electrones disponibles O2 es el sustrato limitante en las fermentaciones aeróbicas Cuando existe síntesis de producto, como el representado por la ecuación (II) el balance de electrones es:
  28. 28. Demanda teórica de oxigeno w γs – 4 a = c γB +f j γp (1) a = ¼( w γs - c γB - f j γp) (2)La Ec.(2) es muy útil porque si se conoce el microorganismo (γB),el sustrato (w y γs) y el producto (j y γp) involucrados en elcultivo celular, y el rendimiento de biomasa (c ) y de producto (f),la demanda de oxígeno (a) puede calcularse rápidamente.a puede determ. resolviendo los coef. Esteq.de la ecuación (II).La ec. (2) permite una evaluación más rápida y no es necesarioconocer las cantidades de NH3, CO2 y H2O involucrados.
  29. 29. Reparto de electrones disponibles en el sustrato Rendimiento máximo posible. 4a cγ f.j. γ p + B + = 1 w. γ s w. γ s w. γ s (s) (B) (P) fracción de e fracción de e Fraccion de e disponibles transf disponibles transf transferidos al desde el Sust al O2 a la Biomasa Producto w γs w γs f max = c max = j γp γB el rendimiento máximosi todos los e disponibles de producto ense utilizaran para la síntesis ausencia de síntesis dede biomasa ηB = 1 biomasa
  30. 30. Rendimientos termodinámicos máximos de biomasa
  31. 31. Requerimientos nutricionales del Medio de Cultivo para la construcción de una nueva célula esta contenida en los cromosomas. La materia debe ser suministrada a través de los componentes del medio de cultivo. La E se obtiene del catabolismo de la fuente de C de cultivo. Crecimiento microbiano  una ecuación química. C, H, O y N y Mg, S, P,Ca, Na y K Otros compuestos a niveles muy bajos y deben ser suministrados como compuestos aptos para ser metabolizados. La fuente de C: Carbohidrato-orgánico, CO2, CO3-2 HCO3-1 (caso de células quimioautotróficas o fotosintéticas). La fuente de N : Amonio, nitrógeno amino de aminoácidos y proteínas, úrea, nitrato o nitrógeno elemental
  32. 32. Medios complejos Son formulados en base a desechos, subproductos y extractos naturales. la melaza, licor de maceración de maíz, extracto de levadura y otros Su composición química es compleja y variable. Contiene varias fuentes de cada elemento. Pueden requerir ser suplementados con compuestos que proporcionen cantidades adicionales de algunos elementos, tales como, N, Mg y P Muy utilizados en microbiología básica (taxonomía, fisiología y genética), microb. analítica, producción de algas, alimentos, suelos y en fermentaciones industriales
  33. 33. Componentes de medios complejos industrialesa nivel industrial Baratos Mejores rendimientos
  34. 34. Medios definidos Se formulan en base a compuestos puros, tales como la glucosa, sulfato de amonio, metionina, fosfatos, etc composición química es conocida y reproducible. fuentes de cada elemento y los nutriente esenciales que pueden ser requeridos. investigación y desarrollo de Proceso de fermentación. permiten un mejor control de las condiciones ambientales de crecimiento y producción. resultan más productivas cuando se utilizan medios definidos.
  35. 35. Ejemplo de medios definidos
  36. 36. Ejercicios resueltos de Balance de Materia Problema 1 Continua…….
  37. 37. Ejercicios resueltos de Balance de Materia Problema 1
  38. 38. Ejercicios resueltos de Balance de Materia Problema 1 Corrida del Programa
  39. 39. Ejercicios resueltos de Balance de Materia Ejercicio de Balance resuelto en Excel

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