ESTEQUIOMETRIA Y CINETICA MICROBIANA

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A partir, del balance de masa elemental se pueden calcular los coeficientes estequiométricos de la Ecuación (1). Pero antes, se debe recurrir al uso de ecuaciones adicionales, como las relaciones estequiométricas y rendimiento de la reacción (Strub, Brandam, Meyer, & Lebrihi, 2010).

Puesto que es difícil determinar experimentalmente la cantidad de agua producida por la biodegradación de un determinado sustrato, en muchas ocasiones es muy útil aplicar el balance de electrones. El balance de electrones hace uso del concepto de grado de reducción, que se define como el número de electrones disponibles para ser transferidos al oxígeno, tras la oxidación de un compuesto a dióxido de carbono, agua y nitrógeno. En otras palabras, el grado de reducción de un compuesto es el número de electrones equivalentes disponibles por g de átomo de carbono del compuesto. (Blanch & Clark, 1997).

El balance de electrones no brinda información adicional cuando se dispone de las relaciones adicionales suficientes para determinar los coeficientes estequiométricos. Esto es, cuando es posible contar con información experimental, que dé cuenta de la relación entre la cantidad de sustrato consumido y la cantidad de biomasa producida o de producto formado. Dicha proporción lineal se conoce como rendimiento (Blanch & Clark, 1997).

- Cinética microbiana

El estudio de la cinética permite establecer relaciones y modelos en cuanto a la velocidad de crecimiento de los microorganismos y la formación del producto de interés, a partir del consumo de un determinado sustrato. Por lo anterior, es una herramienta importante en el campo de la biotecnología y la microbiología, y en particular es de gran interés en el escalado de procesos. De otro lado, el estudio de la cinética, permite también establecer un mayor control de los diferentes parámetros que afectan el crecimiento microbiano y por tanto facilita la posterior optimización del proceso (Alcón Martín, Almudela. García-Ochoa Soria, Félix. Santos Mazorra, 2005; Doran, 1995).

- Modelos cinéticos

El crecimiento de los microorganismos puede abordarse desde diferentes perspectivas y con diferentes grados de dificultad dependiendo del sistema a estudiar. Un modelo realista, sería aquel que considere todas las reacciones que ocurren al interior de cada célula y que dé cuenta de las variaciones que hay, de célula a célula; no obstante, dicho modelo sería de suma complejidad por lo que resulta inmanejable. En consecuencia, es útil incluir simplificaciones en el modelo, dependiendo del uso que se le quiera dar. Atendiendo a lo dicho, vale la pena también, diferenciar entre modelos segregados y no segregados. En los primeros, se consideran las células individualmente y se diferencian de otras en términos de algunas características distinguibles; mientras que en los segundos, se ve a todas las células por igual como si fuera una sola fase que interactúa y se ve condicionada por el ambiente exterior (Blanch & Clark, 1997).

De lo anterior, surgen los conceptos de modelos estructurados y no estructurados. Los primeros consideran reacciones individuales o grupos de reacciones que ocurren al interior de la célula, y así mismo dan cuenta, de cómo los factores externos pueden influir y desencadenar una determinada reacción o grupo de reacciones de interés (Blanch & Clark, 1997). En otras palabras los modelos estructurados proporcionan un esquema simplificado del metabolismo microbiano, al considerar que cada microorganismo está formado por multitud de componentes internos que reaccionan entre sí. Por el contrario, los modelos no estructurados ven a las células como una entidad en solución, que interactúa con el medio ambiente. Estos últimos modelos tienen por tanto un tratamiento matemático mucho más simple (Alcón Martín, Almudela. García-Ochoa Soria, Félix. Santos Mazorra, 2005; Blanch & Clark, 1997).

- Cinética de crecimiento tipo Monod

Los primeros principios y definiciones se establecieron a mediados del siglo pasado, junto con la subsecuente introducción del modelo no estructurado de Monod. Dicho modelo es de carácter empírico, de relativa simplicidad y difiere de los modelos de crecimiento clásicos al introducir el concepto de ‘control de crecimiento por el sustrato’. En torno a dicho concepto aparecen también los conceptos de ‘limitación por sustrato’ o ‘crecimiento limitado por el sustrato’, lo que indica que una cierta cantidad de biomasa puede ser producida a partir de una cierta cantidad de sustrato y nutrientes (Kova, Egli, & Du, 1998).

El modelo de Monod es un modelo no estructurado que brinda una descripción de la fase de crecimiento exponencial. Dicho modelo, supone que solo un determinado sustrato es importante en la determinación de la tasa de crecimiento de los microorganismos. La forma de la ecuación de Monod se muestra a continuación según la Ecuación (2) (Blanch & Clark, 1997; Doran, 1995) .

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Ecuación (2). Ecuación de Monod

El modelo de Monod proporciona una expresión para la tasa de crecimiento específica [pic 9], mediante el uso de dos parámetros: la máxima tasa de crecimiento específica [pic 10]y la constante de afinidad por el sustrato [pic 11] (Blanch & Clark, 1997; Doran, 1995).

- Parámetros Estequiométricos

A partir del modelo de crecimiento tipo Monod, puede derivarse también una expresión que dé cuenta del consumo de sustrato y de la formación de producto asociado al crecimiento microbiano. Para ello, se introducen los coeficientes de rendimiento, los cuales son una medida de la eficiencia del crecimiento microbiano con respecto al consumo de un determinado sustrato; o de la formación de producto ligado al crecimiento del microorganismo, con respecto al consumo del sustrato (Blanch & Clark, 1997; Kova et al., 1998; Panikov, 2010). De otro lado, dichos rendimientos son de importancia, puesto que permiten diseñar un medio de crecimiento que garantice todas los requerimientos nutricionales en cantidades balanceadas (Blanch & Clark, 1997).

Los rendimientos teóricos son a menudo difíciles de calcular, puesto que si las rutas metábolicas llegan a ser complejas, los cálculos estequiométricos pueden ser difíciles. No obstante, los rendimientos teóricos pueden calcularse a partir de los rendimientos observados. Estos últimos se calculan con base en las Ecuaciones (3), (4) y (5) (Doran, 1995).

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