Crecimiento microbiano

Crecimiento microbiano

Como se ha comentado en los niveles azul/verde de este capítulo las células microbianas utilizan los nutrientes para el crecimiento, la producción de energía y la formación de productos como se indica en la siguiente expresión;

Nutrientes + células microbianas >crecimiento celular + energía + productos de reacción

Considere el funcionamiento del sistema «Batch» que se muestra en la figura 1. Este recipiente contiene inicialmente una concentración conocida de sustrato de crecimiento S. El recipiente está bien mezclado y, por tanto, la concentración de oxígeno disuelto O2 no se convierte en un factor limitante para el crecimiento microbiano. Inicialmente se añade al recipiente una concentración conocida X de células microbianas viables (es decir, inóculo) y, con el tiempo, el sustrato de crecimiento S se utiliza para el crecimiento celular. Por lo tanto, con el tiempo observaremos una disminución de S (dS/dt negativo) y un aumento correspondiente de X (dX/dt positivo).

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A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figura 1. Crecimiento microbiano y utilización del sustrato en un recipiente por lotes bien mezclado.

Un gráfico conceptual de la concentración de células microbianas frente al tiempo para el sistema por lotes se denomina curva de crecimiento, como se muestra en la Figura 2.

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A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figura 2. Curva de crecimiento típica para un sistema por lotes.

Trazando el logaritmo de la concentración de células viables, X, con el tiempo, se pueden identificar cinco fases distintas de la curva de crecimiento; 1) la fase de retardo, que se produce inmediatamente después de la inoculación y persiste hasta que las células se han aclimatado a su nuevo entorno, 2) la fase de crecimiento exponencial, durante la cual el crecimiento de las células procede a un ritmo exponencial (indicado por una línea recta en el gráfico semilogarítmico), 3) una fase de desaceleración, cuando los nutrientes esenciales se agotan o los productos tóxicos comienzan a acumularse, 4) una fase estacionaria, durante la cual el crecimiento celular neto es aproximadamente cero, y 5) la fase de muerte, en la que algunas células pierden viabilidad o se destruyen por lisis.

Cinética de crecimiento microbiano

Durante la fase de retardo dX/dt y dS/dt son esencialmente cero. Sin embargo, cuando comienza la fase de crecimiento exponencial es posible medir los valores de dX/dt y dS/dt que son muy útiles para definir importantes parámetros cinéticos microbianos. Utilizando las observaciones correspondientes de dS/dt y dX/dt obtenidas justo después del inicio de la fase de crecimiento exponencial en la Figura 2 podemos calcular el coeficiente de rendimiento YXS y la tasa de crecimiento específico µ como

Coeficiente de rendimiento

Tasa de crecimiento específica

El coeficiente de rendimiento, comúnmente denominado rendimiento de sustrato a biomasa, se utiliza para convertir entre la tasa de crecimiento celular dX/dt y la tasa de utilización de sustrato dS/dt. El coeficiente de rendimiento y la tasa de crecimiento específica se utilizan para desarrollar tres tipos de relaciones cinéticas de crecimiento microbiano: la cinética de Monod, la de primer orden y la de orden cero.

Cinética de Monod

El experimento por lotes que se muestra en la figura 1 puede repetirse variando la concentración inicial de sustrato S en un amplio rango de valores, lo que da lugar a la observación de valores individuales de µ que corresponden a cada concentración de sustrato. Un gráfico aritmético de µ frente a S mostrará el comportamiento general que se muestra en la Figura 3.

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A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figura 3. Tasa de crecimiento específica trazada respecto a la concentración inicial de sustrato en un sistema por lotes.

La expresión más utilizada para describir la tasa de crecimiento específico en función de la concentración de sustrato se atribuye a Monod (1942, 1949). Esta expresión es:

Figura 4. Muestra conceptualmente cómo se ajusta la ecuación de Monod a los datos observados del sustrato y de la tasa de crecimiento específica de la figura 3. En la Figura 4 se observa que µmax es la tasa de crecimiento específico máxima observada y KS es la concentración de sustrato correspondiente a 1/2 µmax.

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A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figura 4. Ajuste de la ecuación de Monod a los datos observados.

Cinética de Monod

Al combinar las ecuaciones 2 y 3 podemos escribir la siguiente expresión para la tasa de cambio de tiempo de la biomasa:

De forma similar, combinando las ecuaciones 1 y 3 podemos escribir una expresión para la tasa de utilización del sustrato.

Cinética de primer orden

La ecuación 5 describe la relación cinética de Monod para la utilización del sustrato. A partir de la figura 4 puede verse que si S << KS , la ecuación 5 puede aproximarse como:

La ecuación 6 describe la condición en la que la utilización del sustrato es proporcional a la concentración del mismo (es decir, de primer orden con respecto a S).

Cinética de orden cero

Como si S >> KS La ecuación 5 puede aproximarse como:

La ecuación 7 describe la condición en la que la tasa de utilización del sustrato es una constante (es decir, de orden cero con respecto a S).