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Crecimiento de la biomasa

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by

Luis Hernandez Alvarez

on 27 May 2013

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Transcript of Crecimiento de la biomasa

X representa la cantidad de biomasa (en
miligramos por litro) S representa la cantidad de sustrato (en
miligramos por litro) dX/dt dS/dt Supóngase que se vierte una cantidad de sustrato en una botella de Winkler, y se inocula con un cultivo mezclado de microorganismos. Los microorganismos tienen que aclimatarse primero a su ambiente y al alimento disponible. Si los microorganismos están adaptados a un ambiente y sustrato similares, la fase de retardo será muy breve. 1 Fase de Retardo 2 Fase Logarítmica Una vez que se ha iniciado el crecimiento, continuará rápidamente. Cuando está ocurriendo el máximo crecimiento, el comportamiento es de tipo logarítmico. La rapidez de reproducción es exponencial, de acuerdo con la siguiente ecuación:




donde N es el número de microorganismos producidos a partir de uno individual después de n veces de regeneración. El crecimiento máximo no puede continuar indefinidamente. Esta etapa representa el tiempo durante el cual la producción de nuevo material celular es aproximadamente compensado por muerte y respiración endógena. 3 Fase Estacionaria Fase de Retardo 4 Mientras que en la fase estacionaria todavía existe algo de reproducción, la respiración endógena y la muerte predominan en el cuarto segmento de la curva, denominado fase endógena. En esta última fase, la biomasa decrece lentamente, acercándose asintóticamente al eje de las abscisas. Durante la fase de crecimiento logarítmico, la biomasa se incrementa de acuerdo con la siguiente expresión: Modelo matemático de Monod Monod (1942, 1949) asume que la rapidez de asimilación del sustrato, y en consecuencia la rapidez de producción de biomasa, está limitada por la rapidez de reacción de las enzimas involucradas. La ecuación de Monod es: La rapidez de crecimiento de biomasa es una función hiperbólica de la concentración de alimento, como se muestra en la siguiente figura Ecuación 2 Ecuación 1 Sustituyendo la ecuación 2 en 1 la rapidez de la producción de la biomasa se transforma en: Con respecto a la ecuación 2, cuando hay exceso de alimento limitante, esto es, S>>Ks, la constante de rapidez de crecimiento k es aproximadamente igual a la rapidez de crecimiento máximo ko y se dice que el sistema es limitado en enzimas. Constante de rapidez de crecimiento de Monod, como una función de la concentración de sustrato limitante entonces la ecuación 1 se convierte en: que es una ecuación de primer orden en la biomasa; esto es, la rapidez de crecimiento es proporcional a la primera potencia de la biomasa presente. 1 2 Cuando S<<Ks, el sistema es limitado en sustrato, y en este caso rx = constante
y la constante de rapidez de crecimiento es de orden cero en la biomasa; esto es, la constante de rapidez del crecimiento es independiente de la biomasa presente Cuando Ks=S 3 Crecimiento celular y
utilización del sustrato Si todo el sustrato fuera convertido en biomasa, entonces la rapidez de consumo de sustrato sería igual a la rapidez de producción de biomasa. Sin embargo, debido a que el catabolismo convierte parte del sustrato en productos de desecho, la rapidez de consumo de sustrato será mayor que la rapidez de producción de biomasa. ecuación 4 ecuación 3 El factor Y varía dependiendo del patrón metabólico usado en el proceso de conversión.
Los procesos aerobios son más eficientes que los anaerobios con respecto a la conversión de biomasa y por ello tienen un valor mayor de Y. Para reacciones aerobias los valores típicos de Y son de 0.4 a 0.8 kg de biomasa por kilogramo de DBO5, mientras que en las reacciones anaerobias varía de 0.08 a 0.2 kg de biomasa por kilogramo de DBO5. La ecuación 3 estaría incompleta sin una expresión que considere el agotamiento de la
biomasa a través de la respiración endógena. El decaimiento endógeno también se supone
como de primer orden en la concentración de biomasa: ecuación 5 Considerando la ecuación 3 y 5 tenemos que: ecuación 6 El decaimiento endógeno tiene muy poco efecto en la rapidez de crecimiento global en las fases iniciales de la curva de crecimiento. Sin embargo, en la fase estacionaria el decaimiento endógeno es igual a la rapidez de crecimiento y se vuelve predominante en la fase endógena En el crecimiento de la biomasa tienen influencia factores tales como la presencia de
sustancias tóxicas, concentración de sales y oxidantes. Los microorganismos tienen la capacidad de ajustarse a un intervalo muy amplio de la mayoría de los factores ambientales, a condición de que los cambios ocurran gradualmente. Las sustancias tóxicas envenenan a los microorganismos; la concentración de sales interfiere con las relaciones de presión interna y externa, y los oxidantes destruyen las enzimas y materiales celulares. La repentina caída del pH o una descarga salada puede provocar un daño irreparable al cultivo. 1. Dibuja una gráfica que represente el crecimiento de las bacterias de un cultivo puro, anotando el nombre que se da a cada segmento.
2. Define: a) biomasa; b) fase de retardo; c) fase de crecimiento logarítmico; d) fase estacionaria; e) fase endógena; f) cultivos suspendidos; g) cultivos adheridos; y h) flóculos.
3. Nombra, define y describe el método más común para cuantificar la biomasa.
4. ¿Qué factores externos y de qué forma pueden afectar la rapidez de producción de biomasa y de consumo de sustrato?
5. Si la población de microorganismos es 3.0 x 105 al tiempo t0 y 36 horas después es 9.0 x 108, ¿cuántas generaciones han ocurrido? Crecimiento de la biomasa y
utilización del sustrato El método más común para la cuantificación de biomasa es la prueba de sólidos suspendidos, aunque no hay distinción entre células vivas y muertas. 6. Los siguientes datos se obtuvieron en un experimento de observación del crecimiento bacteriano. Grafica los datos en papel logarítmico. ¿Aproximadamente en qué tiempo inició y en que tiempo terminó el crecimeinto logarítmico? 7. Si el tiempo de regeneración para las bacterias es de 20 minutos, calcule el número de bacterias que podrá haber luego de 6 horas.
8. Si en un tiempo de regeneración de 30 minutos hay 65 536 bacterias, calcule el tiempo requerido para obtener este número por medio de la fisión binaria. La prueba de sólidos suspendidos volátiles es una prueba más adecuada cuando la muestra de agua residual contiene una fracción medible de materiales inorgánicos suspendidos.
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