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Microbiologia GeneralTrimestre 16-P
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7.FORMULACIÓN Y BALANCE DE MEDIOS DE CULTIVO
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ANÁLISIS DIMENSIONALDefiniciones y fundamentos Una cantidad que se mide tiene un valor (número) y una unidad:
es fundamental escribir la unidad en que se mide el valor:2 metros (2 m) 5 segundos (5 s) 4 kilos (4 kg)
valor unidad
Dimensión propiedad que se mide: longitud, masa, tiempo… ¿En qué se miden las dimensiones?
Longitud: cm, mMasa: kg, g … tiempo … temperatura
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ANÁLISIS DIMENSIONAL
Las unidades pueden tratarse como variables algebraicas al sumar, restar, multiplicar o dividir cantidades: Suma o resta SOLO SI las unidades son iguales: 3 cm – 1 cm = 2 cm 3 cm – 1 mm = ?
Multiplicación o división SIEMPRE pueden combinarse:
7 km x 4 h =h
6 g =2 g
5 mg/L12 m2
28 km
3 cantidad adimensional
10 mg/2 L = 3 m x 4 m =
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CONVERSIÓN DE UNIDADES
Una cantidad puede expresarse en cualquier unidad con la dimensión adecuada:
[L]/[t] ft/s millas/h km/h cm/año Para convertir una cantidad de una unidad a otra diferente se
multiplica la 1ª cantidad por un factor de conversión = unidad nueva/unidad anterior
P. ej. para convertir 36 mg a su equivalente en gramos (g):36 mg x __1 g__ = 0.036 g 1000 mg Se cancelan los mg y la cantidad queda en g
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CONVERSIÓN DE UNIDADES
Otra alternativa para expresar lo anterior es:
Escribir la unidades así, es la mejor opción para evitar el error de multiplicar en vez de dividir y viceversa
En el ejemplo, sabemos que el resultado es correcto por que… se cancelan los mg y solo quedan g Si acomodamos de manera incorrecta los valores con sus
respectivas unidades resultado incorrecto36 mg 1000 mg = 36000 mg2/g 1 g
Ecuación dimensional36 mg 1 g = 0.036 g1000 mg
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EJEMPLOS
1. ¿A cuantos km/h equivalen 50 m/seg?
2. ¿A cuantos m3/s equivalen 2000 L/min?
3. ¿Cuántos g de nitrógeno (N) hay en 20 g de biomasa (BM)?
N en BM = 10%*20 g BM 10 g N = 2.0 g N100 g BM
*10 g de N por cada 100 g de BM
50 m 1 km 3600 seg = 180 kmseg 1000 m 1 h h
2000 L 1 m3 1 min = 0.03 m3min 1000 L 60 seg seg
1 km = 1000 m1 h = 3600 seg
1 m3 = 1000 L1 min = 60 seg
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7.FORMULACIÓN Y BALANCE DE MEDIOS DE CULTIVO
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MEDIOS DE CULTIVO Material nutritivo que provee los nutrientes esenciales
para que un microorganismos crezca y se multiplique en un cultivo
Un medio de cultivo bien diseñado debe contener: Agua Fuentes de C, N y energía Macronutrientes: P, S, K y Mg Micronutrientes: Fe, Ca, Mn, Zn, Cu, Co y Mo Factores de crecimiento: vitaminas, aa, bases nitrogenadas
Crecimiento y función de las células: depende de estos componentes
Formulación de un medio de cultivo se basa en la composición química de una célula microbiana
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MEDIOS DE CULTIVO
Fuentes de C (azúcares) y N (sales)
Macronutrientes
Micronutrientes
Factores de creci-miento (vitaminas, peptonas, extractos)
Agua destilada
Agente solidificante
Ajuste de pH
Esterilización (15 lb/plg2, 15 min)
Inoculación
Incubación
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FORMULACIÓN DE UN MEDIO DE CULTIVO Objetivo del diseño de un medio de cultivo para un
microorganismo en particular: proporcionar una mezcla equilibrada de los nutrientes requeridos, en concentraciones que permitan un buen crecimiento
Las cantidades y naturaleza de los constituyentes de un medio están determinadas por: Composición de la biomasa Rendimientos de crecimiento Productos Tasa de crecimiento
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RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO
Crecimiento microbiano Un microorg. en un medio de cultivo adecuado, produce nuevos
microorgs. usando los nutrientes del medio número de células
El crecimiento se detiene cuando: Se agota algún nutriente del medio (sustrato limitante) Se acumulan productos microbianos que lo inhiben
La cantidad final de microorg. (biomasa) depende de la concen-tración y composición del medio de cultivo estequiometría del crecimiento (necesario conocer rendimientos)
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RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO
Un rendimiento (Y) se define como la relación entre el PRODUCTO obtenido y el SUSTRATO consumido
Rendimiento celular (???):
X: biomasa S: sustrato
ΔX = Biomasa producida [g BM]ΔS Sustrato consumido [g S]YX/S =
ΔP = Producto formado [g]ΔS Sustrato consumido [g]
YP/S =
Si además de biomasa (microorganismos) se forma un producto, el rendimiento de producto está dado por:
(fuente de C)
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RENDIMIENTOS DE CRECIMIENTO
Sustrato(fuente de C)
50%
50%
BiomasaCnHxOyNz
Metabolitos + CO2 + H2O + …
YP/S
YX/S
Productos
+ N + O2 + micronutrientes +
factores de crecimiento
~50% del sustrato
carbonadoAerobio Anaerobio
~10% del sustrato
carbonado
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El rendimiento celular (YX/S) solo se usa para la fuente decarbono y no para las fuentes de otros elementos ???
Fuentede C
50%
50% BiomasaCnHxOyNz
YX/S
YP/S
Metabolitos + CO2 + H2O + …
Productos
En el metabolismo común, solo la fuente de carbono es utilizada para la producción de biomasa + metabolitos
En general, el resto de los elementos solamente se utiliza para producción de biomasa
Fuentede N Biomasa
CnHxOyNz
~100%
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CONSIDERACIONES BÁSICAS
Por cada 100 g de biomasa seca (%)
C 50N 10P 5S 3H 8O 20
YX/S Aerobio 0.5 ?YX/S Anaerobio 0.1
Rendimiento celular (biomasa)
Composición elemental (C, N, H, O) de la biomasa microbiana punto de partida para los cálculos estequiométricos
ΔX = X prodΔS S consYX/S =
Otro elemento fundamental análisis dimensional
50% del S consumido se convierte en BM10% del S consumido se convierte en BM
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EJEMPLO 1Se desea producir 800 Kg de biomasa. Considerando que seconsume todo el sustrato carbonado y que el rendimientocelular (YX/S) es de 0.47 [kg X/kg S], estime la cantidad deglucosa que se debe adicionar al medio
1. Datos necesarios
2. ¿Cuánta glucosa necesitamos? (PM = 180 g/mol)YX/S = 0.47
YX/S = BM producida (ΔX)S consumido (ΔS) 0.47 kg X = 800 kg X
kg S ΔS (kg S)
ΔS = 800 kg BM0.47 kg BM/kg S S cons (ΔS) = 1702.1 kg S
X prod. (ΔX) = 800 kg Sustrato cons. (ΔS) = ?
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EJEMPLO 2Se desea producir biomasa en condiciones aerobias utilizandoun medio con 30 g/L de glucosa. Calcule: (a) ¿Cuánta biomasase produce si se consume toda la glucosa?, (b) ¿Cuánto Caporta la glucosa consumida?, (c) ¿Cuánto N, P y S debeadicionarse?, (d) ¿Cuál es la relación C/N del medio?
1. Datos necesarios Rendimientos:
YX/S = 0.5 g X/g S, donde S glucosa (PM = 180 g/mol) C = 50%; N = 10%; P = 5%
2. Calculamos la BM que se produce a partir de 30 g de Gluc (a):ΔXΔSYX/S = ΔX = ΔS * YX/S = (30 – 0) g S * 0.5 g X
L g SΔX = 15 gX/L
ΔX = BM prodΔS S consYX/S =
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b) ¿Cuánto C aporta la glucosa consumida?Glucosa C6H12O6 (PM = 180 g/mol)
6 moles de C (PM = 12 g/mol)Entonces, en 180 g de glucosa (1 mol), 72 g son de C
Tenemos 30 g/L de glucosa cuantos g de C?30 g Glu 72 g C
1 L 180 g GluC (g) = = 12 g/L de C
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c) Calcular qué cantidad de N, P y S debe adicionarse para producir 15 g/L de biomasa
15 g X 10 g N1 L 100 g XN (g) = = 1.5 g/L de N
15 g X 5 g P1 L 100 g XP (g) = = 0.75 g/L de P
C 50%N 10%P 5%S 3%
15 g X 3 g S1 L 100 g XS (g) = = 0.45 g/L de S
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d) ¿Cuál es la relación C/N del medio?30 g Glu 72 g C
1 L 180 g GluC (g) = = 12 g/L de C
15 g X 10 g N1 L 100 g XN (g) = = 1.5 g/L de N
Entonces, para calcular la relación C/N se divide el la cantidad de C entre la cantidad de N en el medio:
12 g C1.5 g NC/N = = 8 gC/gN
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A partir de los requerimientos de N, S y P calculados, calcula la cantidad de fuente de cada elemento que se requiere
1. Fuentes de cada elemento:N (NH4)2SO4 (PM = 132 g/mol) Cont. de N = 14 (x 2) g/mol
S (NH4)2SO4 (PM = 132 g/mol) Cont. de S = 32 g/mol
1.5 g N 132 g (NH4)2SO41 L 28 g N = 7.1 g/L de (NH4)2SO4(NH4)2SO4 (g) =
0.45 g S 132 g (NH4)2SO41 L 32 g S = 1.9 g/L de (NH4)2SO4(NH4)2SO4 (g) =
EJEMPLO 2A
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EJEMPLO 2A
P KH2PO4 (PM = 136 g/mol) Cont. de P = 31 g/mol
0.75 g P 136 g KH2PO41 L 31 g P = 3.3 g/L de KH2PO4KH2PO4 (g) =
2. Una vez que calculamos la cantidad de BM producida, podemos determinar la cantidad de la fuente de cada elemento en un solo paso (p.ej.):
15 g BM 5 g P 136 g KH2PO41 L 100 g BM 31 g P0.75 g de P
BM producida P en BM Contenido de P en KH2PO4
KH2PO4 (g) = = 3.3 g/L de KH2PO4
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Se cultivó Candida utilis en un medio con 15.2 g/L de glucosa (S0). La concentración inicial de células (X0) fue de 0.5 g/L. Después de 9.5 h, se consumió toda la glucosa (Sf = 0), se produjeron 0.18 mol/L de CO2 y la BM alcanzó un valor de 6.1 g/L (Xf). Calcule:
(a) La biomasa producida(b) El rendimiento celular del cultivo (YX/S)(c) El rendimiento para la producción de CO2 (YCO2/S)(d) La cantidad de (NH4)2SO4 para producir la BM calculada en (a)(e) La relación C/N del medio
YX/S = ΔX = Xf - X0ΔS S0 - Sf
1. Datos necesarios para (a)-(c):S0 = 15.2 g/L X0 = 0.53 g/LSf = 0 g/L Xf = 6.07 g/L CO2 prod = 0.179 mol/L (PM = 44 g/mol)
EJEMPLO 3
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(a) Biomasa producida ???
YX/S = ΔX = Xf - X0ΔS S0 - Sf
YX/S = Xf - X0 = 5.54 [gX/L]S0 - Sf 15.2 - 0 [gS/L] YX/S = 0.36 g X/g S
El 36% del sustrato consumido (DS) se usó para producir BM
(c) YCO2/S (YP/S): YP/S = ΔP = Pf - P0ΔS S0 - SfPrimero hay que convertir el CO2 de [mol] a [g]:
CO2 (g) = 0.179 mol 44 g = 7.88 g CO2/L1 L 1 mol
(b) YX/S
ΔX = Xf - X0ΔX = 6.07 [g/L] - 0.53 [g/L] ΔX = 5.54 g X/L
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YCO2/S = CO2(f) - CO2(0) = 7.88 - 0 [gCO2/L] = 0.52 gCO2/gSS0 - Sf 15.2 - 0 [gS/L]
El 52% del sustrato consumido (ΔS) se uso para CO2 (producto)
Datos necesarios para resolver (d)(d) (NH4)2SO4 necesario para producir la BM producida?
Fuente de N y S: (NH4)2SO4 PM = 132 g/mol N = 28 g/mol S = 32 g/mol
BM producida (ΔX) = 5.54 gComposición de la BM (%): C, 50; N, 10; P, 5; S, 3
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5.54 g X 10 g N 132 g (NH4)2SO41 L 100 g X 28 g N
0.55 g de N
BM producida N en BM Contenido de N en (NH4)2SO4
(NH4)2SO4 (g) = = 2.61 g/L
5.54 g X 3 g S 132 g (NH4)2SO4100 g X 32 g S(NH4)2SO4 (g) = = 0.68 g/L
(NH4)2SO4para N(NH4)2SO4para S
![Page 28: 7. Formulación y balances de medios Parte 1sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/crl/Microbiologia/16P/TEMA_7.pdf · plq ,qrfxodflyq,qfxedflyq '03.6-"$* / %& 6/ .&%*0 %& $6-5*70 9](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081517/5e839df073b7f11bc523edba/html5/thumbnails/28.jpg)
(e) Relación C/NNecesitamos saber cuánto C y cuánto N contienen las fuentes de C y N adicionadas
En 132 g de (NH4)2SO4 (1 mol) hay 28 g de N (2 moles)
g N = 2.61 g (NH4)2SO4 28 g N1 L 132 g (NH4)2SO4
= 0.55 g N/L
En 180 g de C6H12O6 (1 mol) hay 72 g de C (6 moles)
g C = 15.2 g C6H12O6 72 g C1 L 180 g C6H12O6
= 6.08 g C/L
Entonces la relación C/N del medio es:C/N = 6.08 g C 1 L
1 L 0.55 g N = 11.1 gC/gN