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Microbiologia GeneralTrimestre 16-P
7.FORMULACIÓN Y BALANCE DE MEDIOS DE CULTIVO
ANÁLISIS DIMENSIONALDefiniciones y fundamentos Una cantidad que se mide tiene un valor (número) y una unidad:
es fundamental escribir la unidad en que se mide el valor:2 metros (2 m) 5 segundos (5 s) 4 kilos (4 kg)
valor unidad
Dimensión propiedad que se mide: longitud, masa, tiempo… ¿En qué se miden las dimensiones?
Longitud: cm, mMasa: kg, g … tiempo … temperatura
ANÁLISIS DIMENSIONAL
Las unidades pueden tratarse como variables algebraicas al sumar, restar, multiplicar o dividir cantidades: Suma o resta SOLO SI las unidades son iguales: 3 cm – 1 cm = 2 cm 3 cm – 1 mm = ?
Multiplicación o división SIEMPRE pueden combinarse:
7 km x 4 h =h
6 g =2 g
5 mg/L12 m2
28 km
3 cantidad adimensional
10 mg/2 L = 3 m x 4 m =
CONVERSIÓN DE UNIDADES
Una cantidad puede expresarse en cualquier unidad con la dimensión adecuada:
[L]/[t] ft/s millas/h km/h cm/año Para convertir una cantidad de una unidad a otra diferente se
multiplica la 1ª cantidad por un factor de conversión = unidad nueva/unidad anterior
P. ej. para convertir 36 mg a su equivalente en gramos (g):36 mg x __1 g__ = 0.036 g 1000 mg Se cancelan los mg y la cantidad queda en g
CONVERSIÓN DE UNIDADES
Otra alternativa para expresar lo anterior es:
Escribir la unidades así, es la mejor opción para evitar el error de multiplicar en vez de dividir y viceversa
En el ejemplo, sabemos que el resultado es correcto por que… se cancelan los mg y solo quedan g Si acomodamos de manera incorrecta los valores con sus
respectivas unidades resultado incorrecto36 mg 1000 mg = 36000 mg2/g 1 g
Ecuación dimensional36 mg 1 g = 0.036 g1000 mg
EJEMPLOS
1. ¿A cuantos km/h equivalen 50 m/seg?
2. ¿A cuantos m3/s equivalen 2000 L/min?
3. ¿Cuántos g de nitrógeno (N) hay en 20 g de biomasa (BM)?
N en BM = 10%*20 g BM 10 g N = 2.0 g N100 g BM
*10 g de N por cada 100 g de BM
50 m 1 km 3600 seg = 180 kmseg 1000 m 1 h h
2000 L 1 m3 1 min = 0.03 m3min 1000 L 60 seg seg
1 km = 1000 m1 h = 3600 seg
1 m3 = 1000 L1 min = 60 seg
7.FORMULACIÓN Y BALANCE DE MEDIOS DE CULTIVO
MEDIOS DE CULTIVO Material nutritivo que provee los nutrientes esenciales
para que un microorganismos crezca y se multiplique en un cultivo
Un medio de cultivo bien diseñado debe contener: Agua Fuentes de C, N y energía Macronutrientes: P, S, K y Mg Micronutrientes: Fe, Ca, Mn, Zn, Cu, Co y Mo Factores de crecimiento: vitaminas, aa, bases nitrogenadas
Crecimiento y función de las células: depende de estos componentes
Formulación de un medio de cultivo se basa en la composición química de una célula microbiana
MEDIOS DE CULTIVO
Fuentes de C (azúcares) y N (sales)
Macronutrientes
Micronutrientes
Factores de creci-miento (vitaminas, peptonas, extractos)
Agua destilada
Agente solidificante
Ajuste de pH
Esterilización (15 lb/plg2, 15 min)
Inoculación
Incubación
FORMULACIÓN DE UN MEDIO DE CULTIVO Objetivo del diseño de un medio de cultivo para un
microorganismo en particular: proporcionar una mezcla equilibrada de los nutrientes requeridos, en concentraciones que permitan un buen crecimiento
Las cantidades y naturaleza de los constituyentes de un medio están determinadas por: Composición de la biomasa Rendimientos de crecimiento Productos Tasa de crecimiento
RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO
Crecimiento microbiano Un microorg. en un medio de cultivo adecuado, produce nuevos
microorgs. usando los nutrientes del medio número de células
El crecimiento se detiene cuando: Se agota algún nutriente del medio (sustrato limitante) Se acumulan productos microbianos que lo inhiben
La cantidad final de microorg. (biomasa) depende de la concen-tración y composición del medio de cultivo estequiometría del crecimiento (necesario conocer rendimientos)
RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO
Un rendimiento (Y) se define como la relación entre el PRODUCTO obtenido y el SUSTRATO consumido
Rendimiento celular (???):
X: biomasa S: sustrato
ΔX = Biomasa producida [g BM]ΔS Sustrato consumido [g S]YX/S =
ΔP = Producto formado [g]ΔS Sustrato consumido [g]
YP/S =
Si además de biomasa (microorganismos) se forma un producto, el rendimiento de producto está dado por:
(fuente de C)
RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO
Sustrato(fuente de C)
50%
50%
BiomasaCnHxOyNz
Metabolitos + CO2 + H2O + …
YP/S
YX/S
Productos
+ N + O2 + micronutrientes +
factores de crecimiento
~50% del sustrato
carbonadoAerobio Anaerobio
~10% del sustrato
carbonado
El rendimiento celular (YX/S) solo se usa para la fuente decarbono y no para las fuentes de otros elementos ???
Fuentede C
50%
50% BiomasaCnHxOyNz
YX/S
YP/S
Metabolitos + CO2 + H2O + …
Productos
En el metabolismo común, solo la fuente de carbono es utilizada para la producción de biomasa + metabolitos
En general, el resto de los elementos solamente se utiliza para producción de biomasa
Fuentede N Biomasa
CnHxOyNz
~100%
CONSIDERACIONES BÁSICAS
Por cada 100 g de biomasa seca (%)
C 50N 10P 5S 3H 8O 20
YX/S Aerobio 0.5 ?YX/S Anaerobio 0.1
Rendimiento celular (biomasa)
Composición elemental (C, N, H, O) de la biomasa microbiana punto de partida para los cálculos estequiométricos
ΔX = X prodΔS S consYX/S =
Otro elemento fundamental análisis dimensional
50% del S consumido se convierte en BM10% del S consumido se convierte en BM
EJEMPLO 1Se desea producir 800 Kg de biomasa. Considerando que seconsume todo el sustrato carbonado y que el rendimientocelular (YX/S) es de 0.47 [kg X/kg S], estime la cantidad deglucosa que se debe adicionar al medio
1. Datos necesarios
2. ¿Cuánta glucosa necesitamos? (PM = 180 g/mol)YX/S = 0.47
YX/S = BM producida (ΔX)S consumido (ΔS) 0.47 kg X = 800 kg X
kg S ΔS (kg S)
ΔS = 800 kg BM0.47 kg BM/kg S S cons (ΔS) = 1702.1 kg S
X prod. (ΔX) = 800 kg Sustrato cons. (ΔS) = ?
EJEMPLO 2Se desea producir biomasa en condiciones aerobias utilizandoun medio con 30 g/L de glucosa. Calcule: (a) ¿Cuánta biomasase produce si se consume toda la glucosa?, (b) ¿Cuánto Caporta la glucosa consumida?, (c) ¿Cuánto N, P y S debeadicionarse?, (d) ¿Cuál es la relación C/N del medio?
1. Datos necesarios Rendimientos:
YX/S = 0.5 g X/g S, donde S glucosa (PM = 180 g/mol) C = 50%; N = 10%; P = 5%
2. Calculamos la BM que se produce a partir de 30 g de Gluc (a):ΔXΔSYX/S = ΔX = ΔS * YX/S = (30 – 0) g S * 0.5 g X
L g SΔX = 15 gX/L
ΔX = BM prodΔS S consYX/S =
b) ¿Cuánto C aporta la glucosa consumida?Glucosa C6H12O6 (PM = 180 g/mol)
6 moles de C (PM = 12 g/mol)Entonces, en 180 g de glucosa (1 mol), 72 g son de C
Tenemos 30 g/L de glucosa cuantos g de C?30 g Glu 72 g C
1 L 180 g GluC (g) = = 12 g/L de C
c) Calcular qué cantidad de N, P y S debe adicionarse para producir 15 g/L de biomasa
15 g X 10 g N1 L 100 g XN (g) = = 1.5 g/L de N
15 g X 5 g P1 L 100 g XP (g) = = 0.75 g/L de P
C 50%N 10%P 5%S 3%
15 g X 3 g S1 L 100 g XS (g) = = 0.45 g/L de S
d) ¿Cuál es la relación C/N del medio?30 g Glu 72 g C
1 L 180 g GluC (g) = = 12 g/L de C
15 g X 10 g N1 L 100 g XN (g) = = 1.5 g/L de N
Entonces, para calcular la relación C/N se divide el la cantidad de C entre la cantidad de N en el medio:
12 g C1.5 g NC/N = = 8 gC/gN
A partir de los requerimientos de N, S y P calculados, calcula la cantidad de fuente de cada elemento que se requiere
1. Fuentes de cada elemento:N (NH4)2SO4 (PM = 132 g/mol) Cont. de N = 14 (x 2) g/mol
S (NH4)2SO4 (PM = 132 g/mol) Cont. de S = 32 g/mol
1.5 g N 132 g (NH4)2SO41 L 28 g N = 7.1 g/L de (NH4)2SO4(NH4)2SO4 (g) =
0.45 g S 132 g (NH4)2SO41 L 32 g S = 1.9 g/L de (NH4)2SO4(NH4)2SO4 (g) =
EJEMPLO 2A
EJEMPLO 2A
P KH2PO4 (PM = 136 g/mol) Cont. de P = 31 g/mol
0.75 g P 136 g KH2PO41 L 31 g P = 3.3 g/L de KH2PO4KH2PO4 (g) =
2. Una vez que calculamos la cantidad de BM producida, podemos determinar la cantidad de la fuente de cada elemento en un solo paso (p.ej.):
15 g BM 5 g P 136 g KH2PO41 L 100 g BM 31 g P0.75 g de P
BM producida P en BM Contenido de P en KH2PO4
KH2PO4 (g) = = 3.3 g/L de KH2PO4
Se cultivó Candida utilis en un medio con 15.2 g/L de glucosa (S0). La concentración inicial de células (X0) fue de 0.5 g/L. Después de 9.5 h, se consumió toda la glucosa (Sf = 0), se produjeron 0.18 mol/L de CO2 y la BM alcanzó un valor de 6.1 g/L (Xf). Calcule:
(a) La biomasa producida(b) El rendimiento celular del cultivo (YX/S)(c) El rendimiento para la producción de CO2 (YCO2/S)(d) La cantidad de (NH4)2SO4 para producir la BM calculada en (a)(e) La relación C/N del medio
YX/S = ΔX = Xf - X0ΔS S0 - Sf
1. Datos necesarios para (a)-(c):S0 = 15.2 g/L X0 = 0.53 g/LSf = 0 g/L Xf = 6.07 g/L CO2 prod = 0.179 mol/L (PM = 44 g/mol)
EJEMPLO 3
(a) Biomasa producida ???
YX/S = ΔX = Xf - X0ΔS S0 - Sf
YX/S = Xf - X0 = 5.54 [gX/L]S0 - Sf 15.2 - 0 [gS/L] YX/S = 0.36 g X/g S
El 36% del sustrato consumido (DS) se usó para producir BM
(c) YCO2/S (YP/S): YP/S = ΔP = Pf - P0ΔS S0 - SfPrimero hay que convertir el CO2 de [mol] a [g]:
CO2 (g) = 0.179 mol 44 g = 7.88 g CO2/L1 L 1 mol
(b) YX/S
ΔX = Xf - X0ΔX = 6.07 [g/L] - 0.53 [g/L] ΔX = 5.54 g X/L
YCO2/S = CO2(f) - CO2(0) = 7.88 - 0 [gCO2/L] = 0.52 gCO2/gSS0 - Sf 15.2 - 0 [gS/L]
El 52% del sustrato consumido (ΔS) se uso para CO2 (producto)
Datos necesarios para resolver (d)(d) (NH4)2SO4 necesario para producir la BM producida?
Fuente de N y S: (NH4)2SO4 PM = 132 g/mol N = 28 g/mol S = 32 g/mol
BM producida (ΔX) = 5.54 gComposición de la BM (%): C, 50; N, 10; P, 5; S, 3
5.54 g X 10 g N 132 g (NH4)2SO41 L 100 g X 28 g N
0.55 g de N
BM producida N en BM Contenido de N en (NH4)2SO4
(NH4)2SO4 (g) = = 2.61 g/L
5.54 g X 3 g S 132 g (NH4)2SO4100 g X 32 g S(NH4)2SO4 (g) = = 0.68 g/L
(NH4)2SO4para N(NH4)2SO4para S
(e) Relación C/NNecesitamos saber cuánto C y cuánto N contienen las fuentes de C y N adicionadas
En 132 g de (NH4)2SO4 (1 mol) hay 28 g de N (2 moles)
g N = 2.61 g (NH4)2SO4 28 g N1 L 132 g (NH4)2SO4
= 0.55 g N/L
En 180 g de C6H12O6 (1 mol) hay 72 g de C (6 moles)
g C = 15.2 g C6H12O6 72 g C1 L 180 g C6H12O6
= 6.08 g C/L
Entonces la relación C/N del medio es:C/N = 6.08 g C 1 L
1 L 0.55 g N = 11.1 gC/gN