Departamento de Ingeniería Química e Ingeniería Bioquímica
UNIDAD 5
Cinética Microbiana INTEGRANTES: KARLA BARRÓN CASAS. ANELY CASTAÑEDA ANDRADE. CLAYRE JAQUELINE RUIZ ZAMBRANO. RAHEL BETSABETH VILLEGAS GONZALEZ.
IBQ
5.1. Estequiometria del crecimiento microbiano. Rendimientos. La estequiometría del crecimiento celular es muy compleja y varía con el sistema microorganismo/nutrimentos y con las condiciones del entorno como pH, temperatura y potencial redo. Esta complejidad se incrementa considerablemente cuando más de un nutrimento contribuye al crecimiento celular, como suele suceder. Admitiendo la presencia de un solo sustrato, la ecuación estequimétrica de un crecimiento microbiano puede ser:
Donde YM/S y YP/S son los coeficientes de rendimiento para células y producto definidos de la siguiente manera:
Los coeficientes de rendimiento son útiles también para relacionar el crecimiento celular y la cantidad de producto producida en la fase de crecimiento celular. Así, se puede describir:
Siendo YP/M el coeficiente de rendimiento definido por la relación:
Si el producto P se forma en otra fase del crecimiento celular, como en la estacionaria, no se puede aplicar la ecuación 6.3.17. Los coeficientes anteriores permiten, ahora, formular el denominado modelo de Monod generalizado, que considera las velocidades de formación de nuevas células y de producto, y la desaparición del sustrato durante la fase de crecimiento:
La ecuación 6.3.20 es la denominada ecuación generalizada de Monod. En el caso de considerar que los coeficientes de rendimiento no varían en los intervalos de concentraciones considerados, la integración de la expresión 6.3.19 a las siguientes relaciones:
Cuya combinación conduce a:
En general, al relacionar la velocidad de consumo de sustrato con las velocidades de crecimiento celular y formación de producto se debe también considerar el consumo por mantenimiento celular. Si k M representa la masa de sustrato por unidad de masa células y por segundo, consumida por mantenimiento, se puede escribir la velocidad general de consumo de sustrato del siguiente modo:
No obstante, hay que considerar situaciones especiales. Por ejemplo, si el producto se forma durante la fase de crecimiento, es prácticamente imposible separar la cantidad de sustrato consumido por crecimiento y el consumido para formar producto. En estas circunstancias todo el sustrato, excepto el de mantenimiento, se suele englobar en el coeficiente de rendimiento YS/M. Entonces:
Y la correspondiente velocidad de formulación de producto será:
Rendimiento se definen como la relación entre el producto obtenido y el sustrato consumido, usualmente referidos a la fuente de carbono y energía. El rendimiento celular se define a través del concepto de nutriente limitante. Un nutriente limitante es aquel sustrato que cuyo consumo controla la velocidad de producción de biomasa. Es decir que la velocidad de crecimiento celular es función de tal nutriente. En muchos casos existen más de un nutriente u otros factores que intervienen en dicha velocidad, pero para simplificar se considera siempre que sólo uno es el esencial y el más importante. A través de este concepto de sustrato limitante se puede definir el rendimiento del proceso.
El sustrato normalmente es la fuente de carbono. El rendimiento está en función de tal fuente de Carbono usada y las condiciones del proceso. Puede variar durante el 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 y energía para el mantenimiento del cultivo. Entonces la siguiente ecuación representa el consumo total del sustrato:
Sustrato total = Sustrato empleado asimilación materia celular + Provisión Energía síntesis celular + Energía mantenimiento cultivo Con la ayuda de la ecuación 3 y la 4 se tiene:
El rendimiento teórico se define como ∆X/ (∆S) MC que es el sustrato empleado en la asimilación de los microorganismos como material celular. También se llama el rendimiento del crecimiento. Este rendimiento permanece constante si la composición celular se mantiene constante. Sin embargo el rendimiento global dependerá de la fracción de sustrato consumido en cada una de las actividades celulares.
El rendimiento definido mediante la ecuación 1 se refiere al rendimiento celular, existen otros rendimientos referidos a otros parámetros del proceso o en función de otras variables. Estos pueden ser como los que siguen a continuación:
Donde rs (mol S/m3s) es la velocidad de desaparición de sustrato, r x (mol X/m3s) es la velocidad de aparición de biomasa, rp (mol P/m3s) es la velocidad de aparición de producto y rc (mol CO2/m3s) es la velocidad de aparición de CO2. Otra manera de definir el rendimiento es a través del calor o la energía de reacción generada por el consumo de sustrato. La generación de calor es el resultado del metabolismo energético y de crecimiento, por ello existe una relación entre el calor producido y la energía utilizada del sustrato. Se introduce un nuevo factor de rendimiento, Y∆ (gramos de biomasa/calorías generada)
5.2. Cinética de crecimiento. Ecuación de Monod. Inhibición del crecimiento. Otros modelos cinéticos de crecimiento microbiano. Durante años se ha demostrado que las velocidades de crecimiento de microorganismos suspendidos libremente dependen de la concentración de constituyentes del medio nutriente; estos incluyen no sólo las fuentes de carbono y de energía básica, sino también factores limitantes como aminoácidos, fuentes de nitrógeno, sales inorgánicas y oxígeno. La descripción algebraica de esta dependencia se expresa más comúnmente mediante la ecuación de Monod, que es una expresión empírica basada en la forma de la ecuación normalmente asociada con la cinética de enzimas.
Donde G es la velocidad de crecimiento específica, G max es la velocidad de crecimiento específica máxima, K M es un coeficiente del sistema y C* es la concentración de sustrato en la solución acuosa. Debido a la naturaleza autocatalítica del crecimiento microbiano, es lógico suponer que la concentración de microorganismos, X, influye en la velocidad con que aumenta la población, r x Así:
En esta ecuación, μ es la velocidad específica de crecimiento, la cual para un tipo de microorganismo dado depende principalmente de la composición y concentración del medio de cultivo, presencia de inhibidores, temperatura y pH. Existen diversas expresiones para μ: la más difundida es la ecuación de Monod, que relaciona el valor de m con la concentración de un componente del medio de cultivo que está en defecto respecto de los requerimientos del microorganismo: el sustrato limitante.
Donde S es la concentración de sustrato limitante, u
μm es la velocidad de crecimiento específica máxima, y Ks se conoce como constante de saturación. El valor de Ks está inversamente relacionado con la afinidad del microorganismo por el sustrato. Cuando S » Ks, m toma el valor de mm y rx sólo depende de X. En general Ks tiene valore muy bajos, del orden de los mg l -1 , por tanto concentraciones relativamente bajas de S son suficientes para hacer que m=mm . En promedio las bacterias poseen valores de mm cercanos a 0.9 h-1, las levaduras0.45 h-1 y los hongos filamentosos 0.25 h -1; de todos modos mm debe ser determinado experimentalmente para cada caso en particular. La presencia de inhibidores del crecimiento en el medio de cultivo causa disminución en el valor de p. La substancia inhibidora puede ser algún componente del medio de cultivo o algún producto formado por los microorganismos. El tipo de inhibición, al igual que en cinética enzimática, puede ser competitiva o no competitiva. Para el primer caso:
Mientras que para el segundo
Donde
Siendo I la concentración de inhibidor. El valor de K I está inversamente relacionado con la afinidad del microorganismo por el inhibidor. En la inhibición competitiva, se modifica en valor de K s. Puesto que a > 1 si existe inhibidor (ecuación (22)), resulta que la afinidad del microorganismo por el sustrato se ve disminuida. En la inhibición no competitiva, es el valor de mm el que resulta afectado. En ocasiones algún componente del medio de cultivo puede ser inhibidor del crecimiento, sobre todo cuando se encuentra en concentraciones relativamente elevadas. Esto es factible que ocurra con la fuente de carbono y energía por ser el componente que se encuentra en mayor proporción en los medios. Suele emplearse la siguiente expresión para considerar éste efecto:
El hecho de que una concentración de sustrato elevada pueda inhibir el crecimiento, impone una restricción a la concentración de los medios de cultivo que se pueden emplear en la práctica, y con esto a la concentración final de biomasa que se puede obtener.
En 1967 Dixon y col., desarrollaron un modelo matemático que describe de una manera sencilla el crecimiento microbiano de las cepas que degradan la materia orgánica, partiendo de Michaelis-Menten. Fundamentaron su teoría en la formación de un completo enzima-sustrato (XS), indicando que posiblemente a partir de cierta concentración de sustrato se forma un complejo inactivo (XS 2), para generar un producto cuando moléculas de sustratos atacan el punto activo de la enzima; siendo la secuencia y constantes de reacción las indicadas a continuación:
Donde X representa la biomasa, S el sustrarto, Ks es la constante de reacción que rige la formación del complejo sustrato-biomasa (XS), y Ki es la constante de inhibición que ocurre a causa del sustrato y supusieron que ocurre en la segunda reacción debido al ataque de una segunda molécula de sustrato al complejo biomasa-sustrato. La tercera reacción propuesta, permite explicar la obtención de un producto de características distintas al sustrato, generado luego del proceso de degradación y lo que permitirá obtener la tasa de utilización del sustrato y la biomasa. Jones y col., en 1973 desarrollaron a partir de la primera ecuación de Haldane (8) una expresión matemática que facilitará el cálculo de las constantes de crecimiento microbiano μ m Ks y KI que se muestra a continuación.
Si la concentración del contaminante es alta, el factor de KS/S es despreciable y por tanto la ecuación anterior se simplifica y la relación genera una línea recta la cual puede ser utilizada para calcular μ m y Ki como se muestra a continuación:
Si la concentración del contaminante es baja, entonces el factor S/Ki es despreciable y la ecuación 5 toma la forma de la expresión de Monod donde no se considera el efecto inhibitorio y se puede determinar Ks según la siguiente ecuación:
En 1930 Haldane, citado por Hill y col., 1975, desarrolló una ecuación que relaciona la tasa especifica de crecimiento (μ) con la concentración de sustrato, con base en una tasa máxima de crecimiento (μ m), una constante de inhibición (Ki) y una constante de saturación (Ks); siendo la ecuación obtenida la siguiente:
La cual señala que la tasa de crecimiento se incrementará con la concentración del sustrato hasta un valor crítico, después del cual el efecto inhibitorio empezará a dominar; lo que hace de este modelo matemático una herramienta útil al momento de estudiar el comportamiento de la biomasa que degrada la materia orgánica. En la fig. 2. se pueden observar las etapas de un cultivo por carga, de microorganismos bajo ese tipo de condiciones. En la etapa (1) el crecimiento es de tipo exponencial; una segunda etapa (2) de la curva responde a la ecuación desarrollada por Monod y la etapa (3) corresponde al efecto inhibitorio del aumento en la concentración del sustrato “S”
5.3. Consumo de sustrato. Consumo de sustrato para crecimiento. Consumo de sustrato para mantenimiento celular. Requerimiento de oxígeno.
La ecuación
Establece que el consumo de sustrato sólo es posible cuando hay crecimiento, sin embargo cuando el sustrato considerado es la fuente de carbono y energía, puede darse el caso en que el crecimiento es nulo (r x = 0) y el consumo de sustrato no. A este consumo de sustrato que no redunda en aumento de biomasa se lo asocia con el mantenimiento de funciones vitales tales como recambio de material celular, mantenimiento de gradientes de concentración y movilidad.
La velocidad de desaparición del sustrato, -r, es resultado del sustrato que se usa para el crecimiento celular y el que se usa para el mantenimiento celular
Consumo de sustrato para el mantenimiento celular En el caso de células en la fase estacionaria, donde no hay crecimiento, el mantenimiento celular y la formación de producto son las únicas reacciones que consumen sustrato. En estas condiciones el balance de sustrato, se reduce a
En el caso de células en la fase estacionaria, donde no hay crecimiento, el mantenimiento celular y la formación de producto son las únicas reacciones que consumen sustrato. En estas condiciones el balance, se reduce a
Por lo regular, rp tiene la misma forma de la ley de velocidad que rg Si se hace una dilución la cual es constante, la concentración de sustrato también será constante y habrá una velocidad especifica de crecimiento μ=D que determina un estado estacionario que puede mantenerse indefinidamente. La concentración efectiva se sustrato puede expresarse por: [S]X= [S]-[S] Donde [S]0 es la concentración de sustrato en el depósito de medio fresco y la concentración y [s] la concentración en el recipiente de cultivo. Si [S]X=0, el sustrato no es utilizado y no hay crecimiento. Para que haya crecimiento, [S]x debe ser mayor que 0. Aumentando [S]0, puede conseguirse un valor de [S] que de una μ próxima a μm. Requerimiento de oxígeno. En los microorganismos aerobios la obtención de energía está ligada a la presencia de oxígeno. En efecto, éste es aceptor final de los electrones provenientes de la cadena de citocromos donde se genera abundante ATP (adenosina trifosfato). Las moléculas de ATP aportarán luego la energía necesaria para las reacciones de síntesis con las que el organismo se "fabricará" a sí mismo, y la requerida para el mantenimiento celular. Por analogía con la ecuación:
Se puede expresar la velocidad de consumo de oxígeno (r o2) como:
Donde mo es el coeficiente de mantenimiento en base al O2 e Y'x/o es el rendimiento, en base al O 2 consumido, que se obtendría cuando mo = 0. Dividiendo ambos miembros de la ecuación anterior por x, se obtiene:
Donde qo2 es la velocidad específica de consumo de O2. En un cultivo en medio líquido los microorganismos utilizan substancialmente el O2 que está disuelto, y el valor de qo 2 depende de cual sea esta concentración. Por analogía con la ecuación de Monod, y cuando el O 2 es el sustrato limitante, se suele representar esta dependencia como:
Donde C es la concentración de O2 disuelto, Ko es la constante de saturación y qo2m es la velocidad específica máxima de consumo de O2, la cual se obtiene cuando C » Ko. En la práctica se utiliza principalmente el concepto de concentración crítica de oxígeno disuelto, Cc, entendiéndose por tal al valor por encima del cual qo2 es independiente de la concentración de O 2 disuelto y por lo tanto el crecimiento no está limitado por oxígeno. En estas condiciones el valor qo2 depende de cuál sea el valor se p, el cual será función del sustrato que limita el crecimiento. Si la concentración de este es saturante, será m=ɱ, y qo2=qo2m Los valores de Cc para la mayoría de los organismos están en el orden de 0.1 a 1 mg l -1, valores relativamente bajos si se compara con el de la solubilidad del 02, que a 30 °C y 0.21 atmósferas en medios acuosos diluídos es de 7.8 mg l -1. Esto podría conducir al error de suponer que no constituye un problema satisfacer los requerimientos de O2 en los cultivos.
5.4. Efecto de pH y la temperatura sobre el crecimiento. Los microorganismos pueden crecer en una variada gama de pH que va desde pH = 2 para los acidófilos hasta pH = 11 para alcalófilos. En general los microorganismos que toleran pH ácidos no toleran pH alcalinos y viceversa. Independientemente del pH que pueda soportar un microorganismo, es importante conocer cuál es el pH óptimo para el crecimiento. En la fig. 11 está representada en forma general la variación de μm con el pH para hongos y bacterias. De la misma surge claramente que en general los hongos tienen un pH óptimo cercano a 5 mientras que para bacterias se da alrededor de pH = 7; además debido a la forma "achatada" de las curvas, variaciones de 0.5 unidades de pH alrededor del óptimo no tienen mayor influencia. Durante el crecimiento los microorganismos modifican el pH del medio de cultivo, normalmente haciéndolo disminuir; por tal motivo es frecuente incluir en el medio sustancias que actúen como tampon (buffer) a fin de evitar que el pH se aleje del óptimo. El efecto de la temperatura sobre el crecimiento es complejo. Por un lado cada reacción química individual, de todas las que conforman el metabolismo, es afectada por la temperatura, por lo que un incremento de ésta resulta en una mayor velocidad de reacción. Esto se traduce en un aumento de pm con la temperatura.
Figura : Efecto del pH sobre μm. Curva a: hongos. Curva b: bacterias
Figura : Efecto de la temperatura sobre μm para un microorganismo mesofilo
Por otra parte, aumentos posteriores de temperatura inactivan las enzimas que catalizan las reacciones, con lo que el valor de um decrece rápidamente. La temperatura óptima resulta de la interacción de estos dos efectos. Como regla general, los microorganismos psicrofilos poseen temperatura óptima entre 10 y 20 °C, los mesófilos entre 30 y 40 °C y, finalmente, los termófilos entre 50 y 60 °C. La necesidad de mantener la temperatura de cultivo en el valor óptimo, hace que los biorreactores (fermentadores) cuenten con dispositivos apropiados para tal fin
5.5. Formación de producto. Productos finales del metabolismo energético. Productos intermediarios del metabolismo primario. Productos del metabolismo secundario. La diversidad de productos formados por los distintos tipos de microorganismos es sumamente amplia, desde moléculas muy simples como el etanol hasta las más complejas como pueden serlo una enzima o un antígeno. Formalmente se puede entonces clasificar los productos como: 1. Productos de bajo peso molecular. Estos incluyen a alcoholes, ácidos carboxílicos, aminoácidos, nucleótidos, antibióticos, etc. 2. Productos de alto peso molecular. Los que a su vez pueden dividirse en: 1.
2.1. Componentes Polisacáridos, proteínas, antígenos, etc
2. 2.2. Pudiendo ser estas intra o extracelulares.
estructurales: Enzimas:
La industria química "compite con los microorganismos" tan sólo en la obtención de algunos productos de bajo peso molecular como por ejemplo el etanol o el butanol, siendo los demás de dominio exclusivo de los microorganismos y, por otra parte, la única fuente disponible para el hombre. Cualquiera sea el producto que se desee obtener, son varios los aspectos que deben considerarse. Estos según Pirt, pueden resumirse como: I.
Selección de una cepa microbiana apropiada.
II.
Determinación de los valores óptimos de temperatura, pH, presión osmótica. En procesos aerobios, además, es de fundamental importancia conocer el requerimiento de oxígeno a fin de poder satisfacerlo.
III.
Determinación y optimización de los requerimientos nutricionales y de la concentración de biomasa.
IV.
Modificación del genoma tendiente a incrementar la formación del producto deseado.
La formación de biomasa y de producto son procesos contrapuestos, lo cual, si bien es cierto, podría conducir al error de suponer que el único objetivo en la formación de un producto es maximizar Y p/s. Por otra parte el producto es una consecuencia de la actividad de los microorganismos; luego la presencia de éstos también es importante. Este concepto puede resumirse del siguiente modo: si qp es la velocidad específica de formación de producto podemos poner:
La ec. (2) indica que tanto la concentración celular como la capacidad biosintética de la misma (q p) son importantes en la obtención de un producto. El concepto que resume ambos aspectos él es de productividad, esto es la cantidad de producto obtenido dividido el tiempo necesario para obtenerlo, la que puede ser mejorada entonces aumentando X, qp o ambos. Puede ocurrir que un aumento de X cause disminución de q p, siendo necesario en tal caso encontrar una solución de compromiso; es decir una combinación que haga máxima la productividad. La clasificación dada, no pasa de ser una mera enunciación de todos los productos que se pueden obtener de los microorganismos. Es más útil, al menos para los productos de bajo peso molecular, clasificar los según qué función cumplan dentro del metabolismo. Se pueden distinguir así tres grupos: I.
Productos finales del metabolismo energético.
II.
Productos intermedios de metabolismo primario.
III.
Productos de metabolismo secundario. I.
Productos finales del metabolismo energético
Son ejemplos de este grupo el etanol, ácido láctico, acético, butírico, butanol, y otros compuestos asociados a procesos anaerobios. Su formación es consecuencia directa de la degradación de la fuente de carbono para obtener energía. La energía se emplea tanto para crecimiento como para mantenimiento celular, por lo que en este tipo de productos la velocidad de formación tendrá dos contribuciones:
El primer término del segundo miembro expresa la velocidad de formación de producto debida al crecimiento, y el segundo la debida al mantenimiento. La estrategia para la obtención de estos productos consiste en contar con una concentración celular elevada sometida a condiciones tales que el mantenimiento sea grande, lo cual puede lograrse, como hemos visto, aumentando la tonicidad del medio y también modificando la temperatura. Existe otra alternativa que consiste en limitar el cultivo en nitrógeno de modo tal que las células se vean impedidas de duplicarse al no poder sintetizar más componentes estructurales, y la fuente de carbono se derive, principalmente vía mantenimiento, hacia la formación de producto. Por ejemplo la obtención del etanol por levadura puede dividirse en dos etapas: en la primera el proceso es aerobio y el medio de cultivo contiene una relación de fuente de carbono a fuente de nitrógeno apropiada para obtener un buen crecimiento. La segunda etapa se realiza en condiciones anaerobias y en un medio con escasa concentración de fuente de nitrógeno y elevada concentración de fuente de carbono, la cual es convertida prácticamente en un 90% en etanol y CO 2. En este caso la tolerancia de la levadura al etanol es un aspecto importante a considerar. II.
Productos intermedios de metabolismo primario
Pertenecen a este grupo los aminoácidos, los nucleótidos, las vitaminas, los ácidos orgánicos, y pueden incluirse también biopolímeros como enzimas. Los procesos de obtención son aerobios y la formación de estos productos ocurre principalmente en organismos que han sido sometidos a mutaciones o que se los hace crecer en medios deficientes. En cualquier caso lo que se pretende es lograr una regulación anormal del metabolismo tal que la fuente de carbono y energía se derive hacia la formación del producto deseado. Por ejemplo, para la obtención de lisina se emplean cepas de Corynebacteriuin glutamicum que carecen de la enzima Homoserina deshidrogenasa, de este modo resulta ser auxotrofo para metionina y
treonina (ver fig. 13). Además la enzima deshidroxipicolinato sintetasa no es inhibida por lisina. Esta conjuntamente con la treonina ejercen inhibición concentrada sobe la Aspartatoquinasa de modo tal que aún en este mutante no se acumulará lisina si en el medio de cultivo hay treonina libre. La estrategia para obtener lisina consiste en realizar el cultivo en condiciones tales que la concentración de treonina libre sea mínima, lo cual se consigue alimentando el cultivo con este aminoácido y tratando de mantener su concentración en valores muy pequeños. Así se evita la inhibición concertada, con lo cual la lisina, al no ejercer retroinhibición sobre la dihidroxipicolinato sintetasa, se acumula en el medio de cultivo. El ejemplo visto es demostrativo de la importancia que tiene el conocimiento del metabolismo y su regulación en el momento de seleccionar los mutantes apropiados, como así también la elección de una técnica de cultivo adecuada en el momento de la producción. En general, y a diferencia de los productos pertenecientes al primer grupo, no existe una relación directa entre la generación de energía y la síntesis de los productos de este grupo. Volviendo al ejemplo de la lisina, por cada mol formado se forman cuatro de NADH y se consume uno de ATP, por lo que la formación de lisina está asociada en una formación neta de ATP si se tiene en cuenta el poder reductor acumulado. La cinética de formación de estos productos es más compleja que los del grupo 1, y no existe hasta el momento ninguna expresión simple que abarque a todos, si bien Roels y Kossen han propuesto la siguiente ecuación para ser ensayada con este tipo de productos.
La misma posee gran flexibilidad ya que e puede tomar cualquier valor mayor que cero, lo que permite ajustar distintas relaciones entre q p y m. Por ejemplo si e = 1, la relación entre qp y p es directa; sie = 100 se tiene que qp alcanza valores cercanos al máximo aún a valores pequeños de m/mm. En general, y cualquiera sea el producto, se trata siempre de encontrar que tipo de relación existe entre q p y m, ya que éste es uno de los factores a tener en cuenta en el momento de planear la estrategia dé producción. III. Productos de metabolismo secundario Pertenecen a este grupo los antibióticos, las toxinas, los alcaloides y las giberelinas. Históricamente se ha considerado a los metabolitos secundarios como aquellos que no son indispensables para las funciones vitales del microorganismo, a diferencia de los metabolitos primarios, aunque tal afirmación se encuentre actualmente en revisión. Cualquiera sea el caso, existen algunas características que diferencian a este grupo del anterior. Frecuentemente los precursores específicos para la biosíntesis de estos productos son obtenidos por modificación de metabolitos primarios. Así muchos antibióticos contienen en su molécula aminoácidos infrecuentes como Daminoácidos, N-metil aminoácidos, b-aminoácidos o iminoácidos; o azucares modificados, bajo la forma de dimetil aminoazúcares. Por otra parte estos precursores suelen ser limitantes de la biosíntesis. Por ejemplo la adición al medio de cultivo de ácido fenil acético estimula la producción de Bencil penicilina, los ácidos a-aminobutírico ya, g-diaminobutírico son limitantes de la biosíntesis de colistina. En estos casos la supresión de los mecanismos de regulación de la síntesis de los precursores puede resultar en un incremento en la producción. Otra característica interesante es que algunas enzimas del metabolismo secundario no poseen alta especificidad por el sustrato. Un ejemplo bien conocido es el de la penicilina aciltransferasa del Penicillium chrysogenum, que cataliza el intercambio del resto a-aminoadipil de la penicilina N (amino adipil penicilina), por restos acídicos hidrofóbicos (ver Fig. 14). La enzima es específica para uno de los sustratos, el ácido 6-amino-penicilánico, mientras que es relativamente inespecífica para el precursor de la cadena lateral, el cual debe poseer el grupo CH2 - COOH terminal para ser incorporado. Finalmente, y ya en relación a la producción, la mayoría de los productos de este grupo comparten la propiedad de formarse cuando los microorganismos crecen a bajos valores de m. Se cree que una de las causas sería el fenómeno conocido como represión catabólica ya comentado, por el cual estaría reprimida la biosíntesis de las enzimas asociadas al metabolismo secundario cuando el crecimiento ocurre a valores de m altos, mientras que se desreprimiría a valores dem bajos. Durante años, se utilizó lactosa como fuente carbonada para la obtención de penicilina porque daba mejores rendimientos que la glucosa. La diferencia radicaba en que la lactosa era metabolizada lentamente por el hongo, y la glucosa rápidamente.
En la actualidad se emplea esta última como fuente carbonada, pero suministrándola lentamente al cultivo a fin de regular m a valores compatibles con la síntesis de penicilina. El cultivo continuo y el bath alimentado, son sistemas de cultivo que permiten regular la velocidad de crecimiento, y por tanto muy apropiados para obtener este tipo de productos.
Los productos de este grupo comparten con el anterior la necesidad de un adecuado suministro de oxígeno para su formación. Cuando este requisito no es satisfecho los rendimientos disminuyen.
5.6. Ejemplos de procesos biotecnológicos donde intervengan enzimas y/o microorganismos. o Trichosporon beigelii se ha aislado de diversas fuentes como son suelo, agua, vegetales, madera, agua de desechos industriales, frutas, animales o sus excretas, insectos, tubo digestivo, piel y heces.
Cultivo de Trichosporon Cutaneum encontrado en aguas residuales o Varios estudios realizados han demostrado que los cultivos puros de microorganismos poseen mayores ventajas que los cultivos mixtos en la degradación de ciertos contaminantes. Investigaciones como las de Bayly y col., (1973), Busweil, (1975), Cabrera y col. (1981), Hinteregger y col., (1992), González y col., (1992), Concha y col., (2005), se han enfocado al empleo de cepas puras de microorganismos para la degradación del fenol a diferentes concentraciones. Actualmente entre las cepas puras identificadas que son capaces de degradar fenol se encuentra el Trichosporon cutaneum.
Célula inmovilizada de Trichosporon Cutaneum. o Trichosporum cutaneum desempeña un importante papel en los sistemas de digestión aeróbica de aguas residuales debido a su enorme capacidad de oxidación de compuestos orgánicos, incluídos algunos que son tóxicos para otras levaduras y hongos, como los derivados fenólicos. o Se identificó la cepa de Trichosporon cutaneum COMO 2.571 como una levadura oleaginosa que se puede asimilar a la glucosa y la xilosa de forma simultánea. o Trichosporon cutaneum, una levadura no fermentadora, se utiliza para convertir suero de queso en material celular microbiano. El tiempo de duplicación para este organismo en un propagador continuo a escala de laboratorio fue de 2 horas en un medio de suero de leche fortificada con sulfato de amonio y licor de maíz fermentado. El crecimiento celular y la eficiencia de la conversión de lactosa a material celular fue mayor que con Saccharomycesfragilis. Cuando se cultiva en suero de leche, el contenido de nitrógeno de
T. Cutaneum fue 3,5% y la distribución de los aminoácidos por gramo de proteína de la célula fue similar a la de las levaduras comerciales de alimentos.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y DIGITALES * Acuña, S. Biodegradación de fenol empleando microorganismos inmovilizados. Universidad Central de Venezuela. Caracas. 2005. * Aleksieva, z. Ivanova, D Ivanova. Godievargova, T. Degradation of some phenol derivatives by Trichosporon cutaneum R57. Institute of Microbiology, Bulgarian Academy of Science. 37 (11): 1215-1219 * Atkin, C., Witer, l., Ordal, J. Continuous Propagation of Trichosporon cutaneum in Cheese Whey. American Society for Microbiology. 1967. 15 (61): 339-1344 * Atkinson, Bernard. Reactores bioquímicos. Reverte. Barcelona. Primera edición. 2002. pp 8385, 92-44, 99 * Einarsdottir GH, Stankovich MT, Powlowski J, Ballou DP, Massey V. Regulation of oxidationreduction potentials of anthranilate hydroxylase from Trichosporon cutaneum by substrate and effector binding. US National Library of MedicineNational Institutes of Health. 1989. 28(10):4161-8. * Fogler, Scott. Elemento de ingeniería de las reacciones químicas. Tercera edición. Prentice Hall. pp 402-404 * Gaal A, Neujahr HY. Induction of phenolmetabolizing enzymes in Trichosporon cutaneum. US National Library of Medicine National Institutes of Health. 1981. 130(1):54-8
and phenolic compounds by Pseudomonas putida EKII. Appl. Microbiol. and Biotechnol. 37: 252–259. * Izquierdo, J. Cinética de las reacciones químicas. Universidad de Barcelona. Barcelona. 2004. pp 291293, 295. * Martínez, M., García, M. Environmental applications of immobilized microorganisms. 2011. Revista Mexicana de Ingeniería Química. 11: 55-73. * Montenegro, P. Evaluación de la disminución de concentración de fenol en agua sintética por medio de dos consorcios bacterianos nativos, aerobio y anaerobio facultativo, a nivel de laboratorio, para su aplicación futura en la biorremediación de efluentes textiles. Escuela Politécnica del Ejército. Sangolqui. 2010. * Osorio, F., Torres, J., Sánchez, M. Tratamiento de aguas para la eliminación de microorganismos y agentes contaminantes: Aplicación de procesos industriales a la reutilización de aguas residuales. Díaz de Santos. Madrid. 2010. pp 18-21 * Pares, R., Juarez, A. Bioquímica Delos Microorganismos. Primera edición. Reverte. España. 1997. pp 33-36. * Powlowski, J, Ingebrand, J. Dagley, S. Enzymology of the beta-ketoadipate pathway in Trichosporon cutaneum. J. Bacteriol. 2010 192:6 1543-1552
* Hernández, A., Alfaro, I., Arrieta, R. Microbiología Industrial. pp 48,49, 74-77, 193-196.
* Rangel, M., Rodríguez, J., Garza, Y., Martínez, J. Optimización de iones de fierro para la eliminación de piocianina en la reacción de degradación de Tolueno, Benceno y Fenol por Pseudomonas aeruginosa. Agrociencia. 2009.
* Hinteregger Ch., R. Leitner, M. Loidl, A. Ferschl, and F. Streichsbier. 1992. Degradation of phenol
* Renneberg, R. Biotecnologia para principiantes. Primera edición. Reverte. España. 2008.
* Rodríguez, E. Bacteriología General: Principios Y Prácticas de Laboratorio. pp 148-149 * Tapia, Cecilia. Retrato Microbiológico. Genero Trichosporon. Laboratorio de Micologia Medica. Programa de Microbiologia Y Micologia, ICBM. Facultadad de Medicina. Universidad de Chile. 20009. * Microbiología Industrial. Crecimiento celular. 3Junio-2013 http://www.unavarra.es/genmic/micind-2-2.htm * Microbiología General. Cultivo de microorganismos. 2-Junio-2013 http://www.unavarra.es/genmic/microgral/Tema% 2002.%20Cultivo%20de%20microorganismos.pdf * Ecuaciones cinéticas de desarrollo de biomasa
o 1-Junio-2013 http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbi ente/CrecimientoBacteriano.htm * Diseño de una planta piloto para la producción de bioetanol. Cinética. 30-Mayo-2013 http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/20046/fich ero/Anexo%252FANEXO+6.pdf * Cinética y crecimiento bacteriano. Microbiología Ambiental UAM. 30-Mayo-2013 http://www.cbm.uam.es/jlsanz/docencia/archivos/ 08.pdf * Crecimiento Microbiano. 3-Junio.2013. http://es.scribd.com/doc/61101740/CrecimientoMicrobiano
