Cintica de la Fermentacin Lctica de Suero Ultrafiltrado con
Cultivo Mixtos. (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus y
Lactobacillus helveticus).
Palmar P., David J.,; Romero. Ronald R., Paz R.,, Gisela.
Escuela de Ingeniera Qumica, Laboratorio de Tecnologa de
Alimentos y Fermentaciones Industriales, Facultad de Ingeniera,
Universidad del Zulia. Apartado 526, Maracaibo. 4001-A, Venezuela,
Telf. 0261-7598746, Fax. 0261-7598800. [email protected] ;
[email protected]; [email protected]
RESUMEN
Se estudi la cintica de la fermentacin lctica de suero
ultrafiltrado con cultivos puros y mixtos de Lactobacillus
delbrueckii subsp. bulgaricus y Lactobacillus helveticus en relacin
1:1 a condiciones controladas de pH= 5.9 y T= 42 C . El suero de
leche crudo y ultrafiltrado fue caracterizado, evaluando sus
contenidos de lactosa, nitrgeno, protena, fsforo y pH. El valor de
la tasa especifica de crecimiento mxima mx=0.4044 0.011 h-1 fue
para el cultivo mixto, la constante de crecimiento KS= 7.6289 0.074
Kg/m3, y el rendimiento real YC= 4.2967 (Kg de biomasa producido/Kg
de lactosa consumido) para su mantenimiento. Los modelos de
Gompertz modificado, ecuacin Logstico sencilla, Logstico
generalizado por Edwards & Wilke, ecuacin de Hanson & Tsao,
y otros de regresin no lineales se emplearon para describir la
cintica de fermentacin del crecimiento de biomasa, consumo de
sustrato y produccin de cido lctico. Los modelos logstico, Gompertz
modificado, modelo logstico generalizado propuesto por Edwards
& Wilke describieron adecuadamente la cintica fermentacin del
suero ultrafiltrado bajo condiciones de pH controlado.
Palabras claves: Cultivo por carga, cultivo mixto, suero
ultrafiltrado, modelo cintico, modelos de regresin no lineales.
Kinetics of Lactic Fermentation Whey Ultrafiltration with mixed
cultures. (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus y
Lactobacillus helveticus).
Palmar P., David J.,; Romero. Ronald R., Paz R.,, Gisela.
Escuela de Ingeniera Qumica, Laboratorio de Tecnologa de
Alimentos y Fermentaciones Industriales, Facultad de Ingeniera,
Universidad del Zulia. Apartado 526, Maracaibo. 4001-A, Venezuela,
Telf. 0261-7598746, Fax. 0261-7598800. [email protected] ;
[email protected]; [email protected]
ABSTRACT
It was studied kinetic of the fermentation of whey ultrafiltrate
with batch cultures of Lactobacillus delbrueckii subs. bulgaricus
and Lactobacillus helveticus pure and mixed in the ratio 1:1 batch
culture under conditions of controlled pH= 5.9 and T = 42 C. The
whey crude and ultrafiltrate was characterized, and its contents of
lactose, nitrogen, protein, phosphorus and pH evaluated. The value
of the specifies of growth rate maximum was 0.4044 0.011 h -1 for
the mixed culture, the saturation constant KS= 7.6289 0,074 Kg/m
and true yield YC = 4.2967 0.069 (kg biomass produced/Kg of lactose
consumed for growth) for its maintenance were determined from the
culture batch experiments. The models of modified Gompertz,
equation simple Logistic, Logistic generalized by Edwards &
Wilke, equation of Hanson & Tsao, and others of regression
nonlinear were used to describe the kinetic of fermentation of the
growth of biomass, substrate consumption and lactic acid
production. A logistic, Gompertz Modified an logistic generalized
model proposed by Edwards & Wilke it suitably described the
kinetic fermentation of the whey ultrafiltrate under condition of
pH controlled. Key words: batch culture, mixed culture, whey
ultrafiltrate, kinetics model, models of nonlinear regression.
INTRODUCCIN
En Venezuela existen alrededor de 80 plantas industriales con
una produccin anual entre 50 y 60.000 toneladas de quesos,
principalmente fresco, que proviene casi en su totalidad de leche
de ganado vacuno. Se puede calcular que este volumen de materia
slida genera alrededor de 150.000 toneladas de suero de leche que
en su mayora es suero dulce, una pequea parte se seca para obtener
suero en polvo, otro se aade como complemento de dieta en la
alimentacin de porcinos y bovinos, en otros casos se extrae
lactosa, la otra se emplea en la industria de alimento, no
obstante, no menos del 80 % del suero es desechado [7] 26.
El cido lctico obtenido por fermentacin del suero de leche a
travs de procesos de bioconversin utilizando bacterias lcticas
(Lactobacillus helveticus, Lactobacillus delbrueckii.
subsp.bulgaricus, Lactobacillus casei etc.) pueden llevarse a cabo
por dos vas; Cultivo por Carga y Cultivo Continuo. El suero, actuar
como sustrato (lactosa) para producir el cido lctico se
seleccionara el microorganismo capaz de crecer en suero de leche y
fermentar la mayor parte, si no es que toda, la lactosa a cido
lctico [2] 50 Aunque el suero contiene alrededor del 93% de agua,
la composicin tpica del suero de leche producido del queso, que
damos a continuacin, en la Tabla 1, se indica la presencia de
valiosos elementos nutritivos [8] 22.
En Venezuela anualmente se gasta una gran cantidad de divisas en
la adquisicin de cido lctico, alrededor de 7.576.321millones de
Bolvares Fuertes en el periodo 2000-2008 en pago de importaciones
Venezolanas de cido Lctico a diversos pases productores tales como:
Alemania, Mxico Suiza, USA, Holanda, Colombia, Japn, China, con el
fin de utilizarlo en diversos sectores del estado como el mdico,
farmacutico, industrial, universitario entre otros; estas divisas
por concepto de importacin del producto podran ahorrarse obteniendo
este cido por medio de los procesos biotecnolgicos [8] 11,29.
El procesamiento del suero fresco tiene como objetivo extraer de
l los componentes valiosos, es decir, las protenas y la lactosa.
Las tcnicas de procesamiento pueden ser divididas en dos grupos:
Tcnicas de Concentracin y Tcnicas de Separacin, esta ltima
consisten en separar directamente de la solucin diluida del
componente que interesa. Las principales tcnicas de este tipo son
la smosis inversa, ultrafiltracin y precipitacin de protenas [9]
30.
53
Tabla 1. Composicin Tpica Porcentual Aproximada del
Lactosuero[8COLOCAR FARIA 2003] 22. Componente cido
lctico.Protenas.Lactosa.Cenizas.Lpidos.pH. Agua.
Composicin % 0.200.94.90.60.36.6a5.893.1
El uso de membranas en los recientes aos ha llegado a ser
aceptada y entendida en la industria lctea, membranas como por
ejemplo la Ultrafiltracin (UF), describe los procesos en los cuales
las partculas de tamao significativamente ms grande que estn en el
solvente son retenida cuando la solucin es hidrulicamente forzadas
a travs de una membrana de poros muy fina y Ultra smosis
(Nanofiltracin).
La membrana de ultrafiltracin (UF) puede ser mejor descrita como
un filtro. Las membranas de UF fraccionan entre la protena
molecular y la lactosa seguida de agua, cenizas, y la lactosa pasa
a travs de l mientras reinyecta protena y grasa. Las membranas
estndar para sistemas de UF usada en la industria lctea son de
polietersulfano.
Las membranas de Ultra osmosis (Nanofiltracin), son descritas
como barreras formadas de una poliamida soportadas sobre una
polietersulfona. Este resulta en una barrera de capa rica en grupos
carboxilatos, reinyecta sales y es controlada por tamao y carga
inica. La utilidad de la membrana adems de acrecentar
simultneamente la capacidad de concentrar es la de reinyectar las
especies [10,11,12,13] 7, 9,39,47.
Desarrollo de Modelos Cinticos
En un proceso de fermentacin las ecuaciones cinticas ms
importantes que deben conocerse son la produccin de biomasa, la
formacin de producto y el consumo de sustrato [15] 30. Esto se
lograr por la obtencin de datos experimentales a nivel de
laboratorio para de este modo ajustar estos datos con las
ecuaciones cinticas propuesta en la literatura.
Los modelos pueden ayudar a disminuir la cantidad requerida de
tiempo de evaluacin y costos, adems permite un diseo ms ptimo y/o
eficiente de prueba, permiten mejorar la cadena de distribucin, por
ejemplo en la calidad de elaboracin de alimentos [16] 18. Las
ecuaciones ms frecuentes que se reportan son las siguientes como se
muestran en la Tabla 2[15] 30.
Un modelo empleado para crecimiento bacterial es el logstico
generalizado propuesto por Edwards & Wilkes[16] 18 . El modelo
tiene la siguiente frmula:
ec. (1)
dnde .
Este modelo tambin puede ser usado para evaluar las velocidades
de consumo de substrato y formacin de productos respectivamente.
Las velocidades de procesos fueron evaluadas tomando la derivada de
Ci, con respecto al tiempo de la siguiente manera [16] 18:
ec. (2)
Tabla 2. Ecuaciones y modelos Cinticos para la Biomasa,Consumo y
Produccion.
Un modelo predictivo para curvas de crecimiento empleado
satisfactoriamente es la ecuacin modificado de Gompertz sugerido
por Zwietering et al [17] 56. En el cual la curva de crecimiento es
definida como el logaritmo Neperiano del tamao relativo de la
poblacin [Y=LN(N/No) o LN(X/Xo)] como una funcin del tiempo (t). La
ecuacin modificada de Gompertz consta de tres parmetros a,b,c que
ha sido reparametrizada para incluir parmetros de contenido
biolgico como A, mx , y , para representar curvas de formas
sigmoidales definidas por los datos experimentales.
La mxima velocidad de crecimiento especifica mx , es definida
como la tangente en el punto de inflexin, el tiempo de adaptacin ,
es definida como el intercepto del eje t con esta tangente; y la
asntota A es igual LN(X/Xo), la cual es mximo valor alcanzado de
crecimiento microbiano, utilizando anlisis de regresin no linear se
puede hallar estos parmetros a partir de la data experimental. La
expresin final resulta [17] 56:
Y = A exp{-exp[(mx e(1) /A)( t) +1]} ec. (3)
MATERIALES Y MTODOS
Microorganismo Los microorganismos utilizados fueron
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus ATCC 27558 y
Lactobacillus helveticus ATCC 8018 . El Lactobacillus delbrueckii
subsp. bulgaricus ATCC 27558 y el Lactobacillus helveticus ATCC
8018 fueron obtenidos liofilizado de la American Type Culture
Collection, Rockville, Md.
Para el cultivo de las bacterias, se reactivaron los
microorganismos liofilizados en leche, durante 48 horas a 37C, de
los tubos de reactivacin ( 25*150 mm), se tom 1 ml y se transfiri a
unos tubos, con 9 ml de un medio de formulacin especifico para
lactobacterias, con la siguiente composicin: Leche descremada 100
g/ 1L, jugo de tomate 100 mL/ 1L se filtr a travs de papel de
filtro y se ajust el pH a 7 se deja toda la noche a 10 C, extracto
de levadura 5 g/ 1L y agua destilada hasta completar 1L con el pH
ajustado a 7. Se incuba a 37 C durante 24 hr en los tubos; y se
refrigera a 4C para su conservacin [18,19] 45,46.
Muestras: Suero de Leche
El suero de leche o lactosuero empleado fue suministrado por la
empresa VENELACTEOS ubicada en Santa Rosa de Agua en Maracaibo,
Edo. Zulia- Venezuela, Proveniente de la etapa inicial de produccin
de queso blanco prensado de mano (suero de leche dulce pH = 6.5), y
se transport hasta el laboratorio de Ciencia y Tecnologa de la
Leche de la Facultad de Ciencias Veterinarias de la Universidad del
Zulia, en un lapso aproximado de 2 horas.
Equipo: Ultrafiltracin. Desproteinizacin y Suplementacin del
Suero de LecheUn volumen de 100 litros de suero fue fraccionado en
5 partes iguales para ser procesado en lotes de 20 litros. El mdulo
fue cebado con 2 litros de suero aproximadamente. El suero se coloc
en el tanque para ser recirculado a una temperatura de 30 5 C. Se
utiliz una planta piloto de filtracin tangencial dividida en dos
procesos en serie; un proceso de ultrafiltracin y un proceso de
nanofiltracin, Figura 1. En el estudio se empleo el proceso de
ultrafiltracin, se suministro el suero de leche, con la ayuda de
una bomba de servicio continuo EBARA italiana con 0,8 Hp de
potencia (B-1), a un mdulo de ultrafiltracin (M-UF) tipo FILMTEC
(FT 30), diseado y construido con membrana en espiral por DOW
CHEMICAL COMPANY con una capa interna de polisulfona con micro
poros, una capa de poliamida y una capa de polister como refuerzo
en el tope de la superficie de la membrana, desde un tanque de
acero inoxidable de 25 litros de capacidad (A-1); la corriente de
concentrado proteico (C-P) se recircula al tanque de alimentacin
(A-1) y la corriente de permeado (P-1) rica en lactosa y sales
minerales se alimento a un tanque de PVC de 20 litros de capacidad
(A-2) instalado para ser utilizado como tanque de alimentacin en el
proceso para uso posterior[12] 39.
Fermentacin:
Las fermentaciones por carga se realizaron en fiolas de 500 ml
de capacidad, en un incubador rotatorio New Brunswick modelo INNOVA
4300 y en el fermentador New Brunswick modelo Bioflo 4000 con
capacidad mxima de 5 litro. En las fiolas se utiliz 300 ml de suero
suplementado, esterilizado en el auto clave a 115 C durante 15
minutos, se inocul el microorganismo en campana de flujo laminar, y
se sellan las fiolas con papel parafinado para garantizar
anaerobiosis. La fermentacin se llev a cabo manteniendo la
temperatura a 42 C sin agitacin.
En el fermentador se empleo 2.7 litros de suero suplementado, y
se esteriliz en el mismo equipo, calentando con vapor a 115 C
durante 15 minutos. Se inocula el cultivo en el fermentador en
condiciones aspticas, y se realiz la fermentacin sin aireacin, con
control de pH a 5.9, adems controlando la temperatura a 42 C y
agitacin de 50 a 100 rpm, se emple Tween 80 como antiespumante en
una concentracin de 1 g/ L.
C-P
IP-1BIP-1A
A-1VP-1
VCP-1M-UF
P-1B-1
C-L
IP-2AIP-2B
VP-2
A-2M-NFVCP-2
B-2P-2
Figura 1. Diagrama de Flujo de da Planta Piloto de
Ultrafiltracin y Nanofiltracin Tangencial39.
Cultivo por Carga
Se realizaron 8 cultivos por cargas y por duplicado a
temperatura de 42 C y pH a 5.9 con agitacin de 100 rpm, utilizndose
Tween 80 como antiespumante en un fermentador New Brunswick, modelo
Bioflo 4000 para un volumen de trabajo de 3 litro; 0.3 litro
corresponde al inculo. Se midi la concentracin de biomasa, lactosa
y cido lctico, cada hora hasta alcanzar el mximo crecimiento
logartmico de biomasa (a partir de la hora de inoculacin,
denominada hora 0).
Determinaciones: Mtodos de Anlisis
A las muestras de suero original, concentrado de protena y
permeados de ultrafiltracin, se les determin por triplicado
Nitrgeno por el mtodo Kjeldahl [21] 1. El contenido de Protena se
determin como el porcentaje de nitrgeno multiplicado por el factor
6.38 [21]1. El contenido de Fsforo se determin por el mtodo
espectrocolorimtrico del molibdo-vanadato de amonio, previa
construccin de una curva de calibracin a una longitud de onda de
440 nm [21] 1. Slidos totales y cenizas se determin empleando los
mtodo de la A.O.A.C. (calentamiento en estufa y mufla) [21] 1
La concentracin de biomasa se determina turbidimtricamente,
midiendo la absorbancia de la 47
muestra en un espectrofotmetro modelo CARY UV 50 VARIAN
(Mulgrave, Victoria, Australia) a una longitud de onda de 490 nm.
Relacionando la densidad ptica (D.O) con el peso seco de la biomasa
por unidad de volumen a travs de la construccin previa de la curva
de calibracin [22] 43.
El contenido de lactosa se determin utilizando el mtodo
espectrocolorimtrico de Dubois & Col13. (mtodo fenol cido
sulfrico), empleando un espectrofotmetro modelo CARY UV 50 VARIAN
(Mulgrave, Victoria, Australia) a intervalos constantes de una hora
desde el inicio de la fermentacin a una longitud de onda de 490 nm.
Para la medicin se utilizo una curva de calibracin [23] 17.
La concentracin de cido lctico se determin por cromatografa en
fase gaseosa, empleando un cromatgrafo Perkin Elmer, XL Autosystem
(Norwalk, USA) provisto con un detector de ionizacin a la llama
(PID) equipado con una columna capilar Carbowax, para cidos grasos,
de 15 metro de longitud y 0.25 mm de dimetro. [15,24]30,50.
Mtodo para Simulacin de Modelos Cinticos
Los distintos modelos cinticos disponibles para la fermentacin
lctica en produccin del cido, biomasa y consumo del sustrato en el
sistema por carga fueron analizados por regresin no lineal
empleando un algoritmo modificado de Marquardt34 y software
denominado Curve Expert Versin 1.3 [25] 15.
RESULTADOS Y DISCUSINES
Composicin del Suero de LecheLa caracterizacin promedio del
lactsuero empleado en este estudio fue de queso blanco prensado,
suero de leche fresco crudo, se presenta en la Tabla 3. El anlisis
y la caracterizacin del suero crudo, indic que es un suero dulce.
Este suero, adems de poseer un bajo contenido de acidez titulable,
contiene protenas remanentes sin desnaturalizar. La caracterizacin
del suero luego de la ultrafiltracin y tratamiento trmico cido
arroj resultados en lactosa, nitrgeno, protenas, slidos totales,
cenizas, grasas y pH, temperatura de 35C mostrados en la Tabla 3,
al emplear nuevamente al proceso de ultrafiltracin de esta forma se
logro una eficiente remocin de protena, como en el suero dulce
empleado en el estudio de Araujo y col5.
Tabla 3. Caracterizacin promedio del suero de leche. Materia
Prima.Composicin %Suero Crudo.Suero Ultrafiltrado*.
Lactosa (Kg/m3).64.8818 0.237158.94 0.5636
Nitrgeno (%P/V).0.1395 0.00840.0406 0.0027
Protena (%P/V).0.8903 0.05380.2592 0.0177
Slidos totales (%P/V).6.6464 0.00563.2731 0.1539
Cenizas (%P/V).0.5108 0.00280.3819 0.01380
Grasa (%P/V).0.52 0.13470.0
pH.6.55 0.22734.53 0.2345
*Resultado obtenido posterior al proceso de ultrafiltracin en
suero desproteinizado por tratamiento trmico acido, para mejorar la
eficiencia de remocin de protena.Al observar y comparar los valores
reportados en dicha tabla, muestran que la desproteinizacin es ms
efectiva utilizando el proceso de ultrafiltracin tangencial y
tratamiento trmico cido, que los valores reportados por Jakymec y
Moran H.30 ,Urribarri, y Vielma 50 , Quintero y Rodrguez45. Tambin
se observa que los valores de la Tabla 3 del suero crudo son
similares a la composicin promedio obtenidos por Faria, Garca y
Garca19 , y como tambin los logrados por Mui39.
Cultivo por Carga
Las Figuras 2 y 3 muestran el progreso de las fermentaciones de
cultivos puros, L. delbrueckii subsp. bulgaricus, L. helveticus y
sus cultivos mixtos en relacin 1:1, respectivamente. Estas Figuras
representan el comportamiento de los microorganismos en las
fermentaciones de cultivos por cargas en trminos de crecimiento y
consumo de sustrato observndose que el tiempo de la fase de
adaptacin de crecimiento tuvo un periodo corto, y fase de
crecimiento exponencial de 8 horas promedio a temperatura de 42 C y
pH 5.9 controlado. Esto indica una adecuada adaptacin de los
microorganismos al medio. La mayor produccin de biomasa se present
en el cultivo de L. helveticus (99,969 Kg/m3), como se muestra en
la Figura 2.
En la Tabla 4 se reportan los valores de velocidad especfica de
crecimiento calculados a partir del ajuste lineal de la pendiente
de biomasa Vs tiempo en la regin de crecimiento exponencial as como
tambin la biomasa en los bioprocesos por carga. La mxima velocidad
especifica de crecimiento mx fue de 0,4189 h-1 para el cultivo puro
de Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, en suero
ultrafiltrado.
Los resultados indican que se obtuvo biomasa de forma
satisfactoria utilizando suero ultrafiltrado y suplementado, al
igual que estudios en donde solo se vario el microorganismo y las
variables de operacin de los bioprocesos, como en el estudio de
Buitrago y Soto8, donde se logr altos niveles de protena celular a
partir de suero ultrafiltrado diluido.
El comportamiento del crecimiento con respecto al consumo de
sustrato puede ser comprendido con el valor de rendimiento YX/S
observado para cada cultivo como se muestra en la Tabla 5 junto con
los rendimientos de productos YP/S, a dems de los valores de
concentraciones de cido lctico en funcin del tiempo correspondiente
las condiciones utilizadas en el cultivo por carga (a partir de las
Figuras 2 y 3).
Tabla 4. Velocidad especfica de crecimiento () y biomasa en
cultivo por carga de Lactobacillus en suero de leche ultrafiltrado
a pH =5.9 y T = 42 C.
Microorganismo.mx(h-1).X(Kg/m3)R2.
Lactobacillus helveticus.0.2431 0.11999.9660.1050.9703
Lactobacillus delbrueckii subsp bulgaricus.0.4189 0.21425.28
0.850.9755
Mezcla(1:1)L. helveticus/ L. Delbrueckii subsp bulgaricus.0.4044
0.01182.2186 0.720.9891
Tabla 5. Concentracin y productividad de cido lctico en cultivo
por carga de Lactobacillus en suero de leche ultrafiltrado a pH
=5.9 y T = 42 C.
Microorganismo.ConcentracinAcidoP (Kg/m3)RendimientoYX/S
(Kg/m3.h)RendimientoYP/S (Kg/m3.h)
Lactobacillus helveticus. 8.7940 0.1114,9267
0,2012
Lactobacillus delbrueckii subsp bulgaricus.8.7436
0.8511,3751
0,3767
L. helveticus/ L.delbrueckii subsp bulgaricus. Mezcla(1:1)
11.9173 0.5621,2123
0,1321
La produccin de cido lctico de cultivos puros se observan en la
Figura 4 as como los cultivos mixtos a partir del suero de leche
ultrafiltrado y suplementado observndose una mayor de produccin de
cido lctico en el cultivo mixto en relacin (1:1), con un mximo de
11.9173 Kg/m3, hubo una variacin mnima en la produccin en el
cultivo puro de Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (8,7436
Kg/m3), con respecto al del Lactobacillus helveticus (8,7940
Kg/m3).
Desarrollo de Modelos Cinticos
La fermentacin de la lactosa empleando lactobacteria
(Lactobacillus delbrueckii susbsp. bulgaricus y Lactobacillus
helveticus), sirvi para demostrar el crecimiento microbiano o
produccin de biomasa, consumo de sustrato y produccin de cido
lctico. Los resultados experimentales de esta fermentaciones por
carga mostradas en las Figuras 2,3,4 fueron utilizadas tambin para
desarrollar los modelos cintico de la fermentacin de los cultivos
puros y mixtos empleando la lactosa del suero ultrafiltrado.
Para la produccin de biomasa de los cultivos puros y mixtos
fueron simulados segn los modelos cintico y matemticos mostrados en
la tabla 2, adems de la de Gompertz modificado, esto se muestran en
las Figuras 5,6 y 7.La data experimental fue alisada o modelada
utilizando tambin el modelo logstico generalizado para la biomasa
sugerido por Edwards & Wilkes18. Igualmente el modelo logstico
generalizado tambin fue utilizado para evaluar la utilizacin de
sustrato y velocidades de produccin de cido lctico, en las Figuras
8,9,10 y 11,12,13 respectivamente.
Se pudo observar que las ecuaciones o modelos de la tabla 2,
simularon la fase de adaptacin, pero no se ajustaron exactamente al
comportamiento de la data experimental en la zona de crecimiento
exponencial, la ecuacin de Amrane & Prigent3 present una buena
simulacin para la produccin de biomasa desde la fase de adaptacin,
crecimiento exponencial, hasta la fase de muerte, a pesar de no
tener una buena correlacin en relacin a los datos experimentales,
este comportamiento se observ en la Figura 5 para el cultivo de
Lactobacillus helveticus.
Para el cultivo de Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus
de la Figura 6 se noto que los modelos igualmente simulan el corto
periodo de adaptacin de la data experimental, as como la de
crecimiento exponencial, la que presento un mejor modelamiento fue
la ecuacin logstica modificada por Edwards & Wilkes18. De las
Figuras 5,6,7 se desprende que el modelo con mejor ajuste para la
produccin de biomasa fue el de Gompertz Modificado56, logstico
modificado por Edwards & Wilkes18 y logstico debido al ajuste
de regresin no lineal las cuales obtuvieron una alta
correlacin.
Para los modelos de Consumo de Sustratos, de los cultivos puros
de la Figuras 8 y 9, se observa que no modelaron el comportamiento
de los datos experimentales, adems no se obtuvo una buena
correlacin para el ajuste de dichos modelos con respecto a la data.
Este comportamiento es ms notorio en la zona que corresponde a la
fase exponencial de los microorganismos, de manera similar se
presenta un comportamiento de dichas modelaciones en la Figura 10
para el cultivo mixto de Lactobacillus helveticus y Lactobacillus
delbrueckii subsp. bulgaricus.
La aplicacin del modelo logstico generalizado sugerido por
Edwards & Wilkes18, tiene una alta precisin y una representacin
prxima a los resultados para evaluar las velocidades de consumo de
sustrato. Esto se observa en las Figuras 8, 9 en cultivos puros, al
igual que en cultivos mixtos Figura 10. En los modelos de produccin
de cido lctico el mejor ajuste a los datos experimentales para el
Lactobacillus helveticus fue el de Hanson & Tsao25 lo que
indica una buena correlacin, como se muestra en la Figura 11.
A pesar de que en la literatura el modelo mayormente empleado es
el de Luedeking & Piret el cual simul un comportamiento anlogo
al experimental, no presenta una correlacin buena con respecto a la
de Hanson & Tsao25. El de modelo de Produccin Sencilla present
una curva similar a la de Luedeking & Piret35. El modelo
Logstico ajusto en un rango razonable que al final de los datos de
produccin de cido lctico Vs el tiempo cae bruscamente por lo cual
ajusta solo en el periodo de produccin exponencial.
En la cintica deproduccin de biomasa los modelos basados en
funcin del modelo de Monod, resultaron inadecuadas para expresar el
crecimiento de las lactobacterias, se pudo observar que la
linealidad predicha por el modelo de Monod ajusta solamente parte
de la fase de crecimiento de biomasa. Esto indica que no represente
completamente la fermentacin esto se puede observar en las figuras
5,6 y 7.
Los modelos en algunos casos produjeron parmetros errneos o con
valores irreales, en los cultivos sencillos de L. helveticus y L.
delbrueckii subsp. bulgaricus, mientras que para obtener una
representacin grfica de la cintica de la produccin de biomasa en
cultivo por carga en suero ultrafiltrado, los modelos que
significativamente produjeron mejor ajuste resultaron el modelo de
Gompertz modificado, Logstico generalizado propuesto por Edwards
& Wilkes y Logstico sencillo, para simular la produccin de
biomasa present unas correlaciones de 0.9986, 0.9987 y 0.9678
respectivamente en cultivo mixtos. Se observo prcticamente una fase
adaptacin corta en el crecimiento de biomasa en todos los
bioprocesos en cultivo carga. A continuacin se expresan los
resultados de los datos encontrados por la simulacin:
Para produccin de biomasa cultivos mixtos:
Modelo modificado de Gompertz sugerido por Zwietering et al
56:
Y= 4,12699*exp{-exp[(0,52553 *e(1) /4,12699)*(0,97511 t) +1]} =
0,97511389; mx =0,52553572 h-1 ; A= 4,126964; corr=0.9986
Modelo de Edwards & Wilkes18 , tiene la siguiente frmula:
CB= M/[1 + EXP(i=5i=0aiti)]
CB= M= Biomasa= 92.0848 Kg/m3; ao=4.7448; a1=-0.6977;
a2=5.220X10-2; a3= -8.7323X10-3; a4=6.6468X10-4; a5=-1.67192X10-5;
corr=0.9987
Modelo Logstico
mx =0,4404 h-1 ; Xo= 2.50653 Kg/m3; Xmx= 82.2186 Kg/m3 ;
corr=0.9678
En los modelos de consumo de sustrato, del anlisis grfico se
desprende que el modelo para simular la utilizacin de sustrato para
la conversin de la lactosa a cido lctico el modelo Logstico
generalizado propuesto por Edwards & Wilkes proporcion una
buena descripcin de la cintica de consumo y el modelo de Hanson
& Tsao en cultivos por carga produjo una correlacin de 0.9987 y
0.7892 en este orden. La concentracin inicial de sustrato ptima fue
obtenida de los resultados experimentales y posteriormente hallados
en la simulacin a travs de los modelos o ecuaciones por ensayo y
error.
Modelo de Edwards & Wilkes18 :
CB= M/[1 + EXP(i=5i=0aiti)]
CS= Sustrato; M= 67.8 Kg/m3; ao=88.14; a1=0.72426; a2=
-1.3436X10-2; a3= 1.5529X10-3; a4=-8.61956X10-4; a5=1.93965X10-5;
corr=0.9887
Ecuacin de Hanson & Tsao.
S= 67,869*EXP(-3,6789X10-2 *2,50456*(EXP(0,325*t)-1))
So=67.869 Kg/m3; =0.325h-1; Ks=3.6789X10-2 m3/Kg*h; Xo= 2.504563
Kg/m3 ; corr=0.7892
Para la simulacin de la cintica de produccin de cido lctico los
modelos que produjeron mejor resultados en cultivo mixtos resulto
los modelos Logstico sencillo y Logstico generalizado propuesto por
Edwards & Wilkes los cuales brindaron una correlacin de 0.9887
y 0.8965. A continuacin se describen las ecuaciones que mejor
representan el proceso de fermentacin de suero ultrafiltrado
fueron:Para produccin de cido lctico en cultivos mixtos:
Modelo de Edwards & Wilkes18 :
CP= (Po*0.20+Po)/[1 + EXP(i=5i=0aiti)] CP= Produccin de cido
lctico; Po= 2.452399 Kg/m3; ao= 15,492; a1= 0,70856; a2= -
1.4843X10-2; a3= 1.82694X10-3; a4=- 9.93434X10-4; a5=1.928X10-5;
corr=0.9887
Modelo Logstico.
P=[Po*Pmx*EXP(Po*t)]/[ Pmx- Po+ Po*(EXP(Po*t))] ; Po = rpo / Po
(h-1); rpo=(Kg*m-3 *h-1).
Po=3,23056 Kg/m3; Pmx= 11,91735 Kg/m3; Poavg = 0,2010549
corr=0.8965
Estos modelos produjeron una correlacin de 0.9887 y 0.8965
respectivamente para cultivos mixtos. La data experimental alisada
o modelada empleando el modelo logstico generalizado propuesto por
Edwards & Wilkes18, para evaluar las velocidades de produccin
de cido lctico, fue adecuada para este propsito tanto para los
cultivos puros como para el cultivo mixto. Esto se observa en las
figuras 11,12 en cultivos puros, al igual que en cultivos mixtos
figura 13.
CONCLUSINES
El suero de leche ultrafiltrado y suplementado es adecuado para
la produccin de cido lctico utilizando cultivos mixtos de L.
delbrueckii subsp. bulgaricus y L. helveticus obtenindose valores
de rendimiento real YC= 4.2967 0.069(Kg de productos/Kg de lactosa
consumido para crecimiento).
La produccin de cido lctico en este estudio fue de 11.9173 0.023
Kg/m en cultivo mixto de Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus y Lactobacillus helveticus a condiciones controladas de
pH= 5.9 y T= 42 C.
El consumo de la lactosa fue mayor en el cultivo mixto, esto
explica que haya una produccin con alto rendimiento en cido lctico;
lo cual no ocurri en los cultivos puros de Lactobacillus
delbrueckii subs. bulgaricus y Lactobacillus helveticus donde se
obtuvo una produccin promedio de 8.75 Kg/m para ambas especies.
La mayor produccin de biomasa fue 90 Kg/m en cultivo puro de
Lactobacillus helveticus, mientras que en Lactobacillus delbrueckii
subs. bulgaricus fue de 25 Kg/m; en cultivo mixto la biomasa
producida fue de 82 Kg/m , este comportamiento de concentraciones
finales de biomasa determina en cierta forma la utilizacin de
sustrato por parte de las lactobacterias anaerbicas.
Los modelos que produjeron mejor ajuste para cultivos puros y
mixtos en la la cintica fermentacin del suero ultrafiltrado bajo
condiciones de pH y temperatura controlado para la biomasa
resultaron el modelo de Gompertz modificado, Logstico generalizado
propuesto por Edwards & Wilkes y Logstico sencillo.
Los modelos que produjeron mejor ajuste para cultivos puros y
mixtos en la la cintica fermentacin del suero ultrafiltrado bajo
condiciones de pH y temperatura controlado para consumo de sustrato
resultaron el modelo de Edwards & Wilkes, Hanson &
Tsao.
Los modelos que produjeron mejor ajuste para cultivos puros y
mixtos en la la cintica fermentacin del suero ultrafiltrado bajo
condiciones de pH y temperatura controlado para la produccin de
cido resultaron el modelo de Edward & Wilkes, Logistico,
Produccion Sencilla
Es de destacar que el suero de leche ultrafiltrado (lactosuero),
empleando un proceso de Ultrafiltracin y Nanofiltracin en una
Planta Piloto de Filtracin Tangencial resulta un sustrato idneo
para determinar la cintica de fermentacin con cultivos lcticos para
la produccin de cido lctico.
