La cinética de crecimiento microbiano

Resumen

La cinética de crecimiento microbiano constituye una de las operaciones más utilizadas por la ingeniería alimentaria y la biotecnología, por lo tanto, es menester conocer los diferentes mecanismos de crecimiento, así como, la forma de cuantificación de los mismos, sus formas de aplicación, las ventajas y desventajas de los diferentes métodos, y sobre todo el monto económico de cada uno de ellos. Por tanto, el siguiente documento trata de proporcionar una información general acerca de los diferentes mecanismos de reproducción bacteriana, así como de dar una idea acerca de la utilización de los mismos, sus características, especificaciones, y un análisis de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

El crecimiento de células, microorganismos, células vegetales y animales, puede mirarse bajo dos aspectos o tipos de crecimiento reproductivo.

Células individuales o población de células en crecimiento sincronizado para estudio del ciclo de vida celular. Procesos en laboratorio.

División estocástica de la población, o división al azar. La división celular se efectúa luego de un aumento en el tamaño de la célula, duplicación del núcleo, división celular, división citoplasmática (salva los organismos cenóticos). De ésta manera una célula da nacimiento a dos células hijas de tamaño idéntico y conteniendo los mismos elementos estructurales y potencialidades.

En el caso de las levaduras, y otros microorganismos, se presenta una variante que es la gemación o botón. Se forma una pequeña protuberancia que aumenta progresivamente de tamaño, luego se produce la división en el núcleo y migra hacia el botón. Finalmente crece hasta un tamaño suficiente y posteriormente se separa formando otra célula idéntica a la madre. Las células hijas, sin importar el procedimiento de división celular, deben heredar todo el potencial genético y son idénticas.

Cinética del crecimiento biológico

Antes de adentrar en el diseño de las distintas partes que componen el tratamiento biológico o secundario, es necesario establecer las bases de su funcionamiento. El primer punto que se debe tratar para entender correctamente los principios que componen el tratamiento es la cinética de crecimiento biológico, es decir, el comportamiento y función de los microorganismos dentro del sistema.

Para asegurar el crecimiento de los microorganismos en un proceso biológico de tratamiento de agua residual se les debe permitir un tiempo de contacto suficiente con el alimento (materia orgánica), de manera que éstos puedan asimilarlo y de paso removerlo del agua. Este tiempo requerido depende de la tasa de crecimiento propia de los microorganismos y ésta a su vez está relacionada con la velocidad con la que los microorganismos metabolizan o utilizan el residuo.

Suponiendo que las condiciones ambientales son propicias y se encuentran debidamente controladas, se puede asegurar una estabilización eficaz de la materia orgánica mediante el control de la tasa de crecimiento de los microorganismos.

. Modelos cinéticos simples de crecimiento.

Crecimiento difuso

El crecimiento difuso es un método de identificación que se debe al desarrollo de técnicas para el entrenamiento de estos sistemas a partir de datos medidos. Este método ofrece una forma muy estructurada de formulación del conocimiento, y la posibilidad de incorporar conocimiento que no sea obtenido de datos del proceso. Otra propiedad importante de los modelos difusos es su capacidad de representar sistemas no lineales. De lo anterior se deriva que es ventajosa su aplicación a plantas no lineales difíciles de modelar y donde la experiencia humana está disponible con calidad suficiente, aportando conocimiento sobre el sistema.

Comprobamos que el crecimiento difuso posee un gran potencial para procesos nuevos o poco conocidos, brindando potencialidades para desarrollar modelos de predicción así como para mejorar el conocimiento de las características no conocidas del proceso. La exactitud numérica de los modelos es comparable con otros resultados.

EFECTO DE PH.

Las bacterias tienen un pH óptimo en el que el crecimiento es máximo, suele estar en torno a 7, aunque hay bacterias adaptadas a otros rangos. En su metabolismo, las bacterias suelen modificar el pH del medio mediante la adición de sustancias producto de su metabolismo, por lo que para un correcto desarrollo biológico, debería tamponarse el medio de crecimiento.

La acidez o alcalinidad de una solución se expresa por su pH en una escala en la que la neutralidad es pH 7. Los valores de pH por debajo de 7 son ácidos y los mayores de 7 son alcalinos (o básicos). Es importante tener en cuenta que el pH es una función logarítmica; por ello, un cambio en una unidad de pH representa un cambio de diez veces en la concentración de hidrogeniones. Así, el vinagre (con pH cercano a 2) y el amoniaco doméstico (con pH próximo a 11) difieren en una concentración de hidrogeniones de mil millones de veces.

Cada organismo tiene un rango de pH dentro del cual es posible el crecimiento y normalmente posee un pH óptimo bien definido. La mayoría crece en un margen de pH de 2-3 unidades. La mayoría de los ambientes naturales tienen un valor de pH entre 5 y 9, y los organismos con pH óptimos de este orden son los más comunes. Sólo unas cuantas especies pueden crecer por debajo de 2 o por encima de 10.

Cuando se considera para cada organismo particular el requerimiento de un pH específico para el crecimiento, hay que tener en cuenta que el pH óptimo representa sólo el pH del medio extracelular; el pH intracelular debe permanecer próximo a la neutralidad para evitar la destrucción de las macromoléculas celulares que son sensibles al ácido o al álcali.

Crecimiento celular

Tanto en los sistemas de alimentación continua como en los de alimentación discontinua, la tasa de crecimiento de biomasa se puede definir con las siguientes expresiones:

(1)

Si el substrato (denotado comúnmente por "S") está presente en cantidades limitadas, será el primero en agotarse y se detendrá el crecimiento. Experimentalmente se ha podido determinar que el efecto de disponer de cantidades limitadas de substrato, a menudo, se puede definir adecuadamente mediante la siguiente expresión

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