Cinética de crecimiento en sistemas SSF

Sistemas experimentales para el estudio de la cinética

Con el fin de establecer el perfil cinético, debe utilizarse un sistema experimental a pequeña escala para que la transferencia de calor y la transferencia de masa entre partículas no sean limitantes. La idea es que las condiciones dentro del lecho del sustrato son aquellas que usted desea que el organismo experimente; Por lo tanto las limitaciones de transferencia de calor y masa no deben causar desviaciones significativas de estas condiciones. En otras palabras, el objetivo es caracterizar la cinética de crecimiento del organismo sin interferencia de los fenómenos de transporte masivo, en la medida de lo posible. Por supuesto, cuando se utilizan ecuaciones empíricas para describir la cinética, los fenómenos de transporte intra-partícula se subsumen en la ecuación cinética global. Esto es imposible de evitar, ya que las limitaciones de transporte intra-partícula son una característica intrínseca de los biorreacores SSF.

Como se menciona en el Cap. 14, llevará a cabo estos estudios cinéticos una vez que haya identificado una composición de sustrato y condiciones ambientales que permitan un crecimiento razonablemente bueno del organismo. Las condiciones más importantes para controlar son la composición en fase gaseosa y la temperatura y la actividad de agua del lecho de sustrato. Las dos estrategias experimentales básicas disponibles son: (1) El uso de múltiples frascos de erlenmeyer (o recipientes similares) dentro de una incubadora y (2) el uso de múltiples columnas dentro de un baño de agua.

Los estudios cinéticos se realizan típicamente en estos sistemas, en lugar de hacerlo en biorreactores a escala de laboratorio, ya que estos biorreactores comúnmente no están bien mezclados, por lo que es difícil retirar muestras representativas de ellos como se muestra en la siguiente imagen. El problema es más evidente en el caso en el que es deseable dejar la cama totalmente estática, en cuyo caso es imposible evitar la heterogeneidad en lechos que contienen incluso tan sólo unos pocos cientos de gramos de sustrato. Habrá diferencias entre las regiones interna y externa del lecho, y las muestras no se pueden eliminar de ningún otro lugar que no sea la superficie expuesta sin alterar el lecho. Esta alteración afectará al crecimiento del microorganismo en la parte del lecho que quedará después de retirada la muestra. En sistemas que involucran múltiples frascos o columnas, las unidades individuales pueden ser sacrificadas en cada momento de muestreo. Aunque dentro de frascos o columnas individuales con menos de 100 g de sustrato puede haber todavía cierta heterogeneidad en el lecho de sustrato (por ejemplo, de arriba a abajo de una columna o de las regiones interior a exterior dentro de un matraz), cada matraz o columna debe ser idénticamente heterogénea, y por lo tanto representativa de todos los otros frascos.

Aunque cada frasco o columna debe ser idéntico a los otros, siempre habrá alguna variación. Por lo tanto, es importante establecer, antes de la fermentación, el orden en que se eliminarán los frascos o columnas. Si la decisión se tomara en el momento del muestreo, entonces se podría influir por la apariencia relativa de los diferentes frascos o columnas. Además, dada la posibilidad de que las condiciones en un baño de agua o incubadora puedan variar con la posición debido a patrones de circulación imperfectos, el patrón de eliminación debe ser aleatorio .

Consideraciones básicas sobre los estudios cinéticos. (A) Es mejor utilizar múltiples recipientes pequeños en los que se sacrifican recipientes individuales en cada momento de muestreo en lugar de eliminar muestras posteriores de una masa mayor; (B) Los recipientes individuales deben ser retirados en orden aleatorio

Frascos en una incubadora

Este sistema es muy comúnmente utilizado. Idealmente, la capa de sustrato no debe ser más gruesa que 1 a 2 cm, aunque incluso con este espesor, el crecimiento en el fondo de la capa puede estar limitado por un suministro pobre de O2.

Consideraciones en el uso de frascos para estudios cinéticos. (A) La forma en que el frasco está «cerrado» debe considerarse cuidadosamente; (B) Puede ser apropiado burbujear aire a través de una bandeja en el fondo de la incubadora con el fin de mantener una alta humedad y reducir las pérdidas por evaporación del sustrato

Es importante considerar el control del contenido de agua del sustrato y la concentración de O2 en la fase gaseosa. Con el fin de proporcionar una fase gaseosa bien oxigenada, sería preferible dejar los frascos abiertos, permitiendo que el espacio de cabeza dentro del matraz se comunique directamente con el espacio aéreo en la incubadora. Sin embargo, si la humedad relativa de la atmósfera de la incubadora no está controlada, es probable que esto favorezca la evaporación y el secado del sustrato. Además, los frascos abiertos no impiden la entrada de contaminantes.

Si es necesario, se puede añadir agua a los frascos a intervalos diferentes durante la fermentación. En este caso, sería deseable mezclar el lecho de sustrato con el fin de distribuir el agua uniformemente. Si la mezcla es indeseable (debido a efectos adversos sobre el microorganismo) entonces es más difícil añadir el agua de una manera uniforme. Esto puede lograrse añadiendo el agua como una pulverización fina sobre una fina capa de sustrato.

Con el fin de minimizar las pérdidas de agua y por lo tanto minimizar la necesidad de añadir agua, puede ser deseable cerrar el matraz. Sin embargo, en este caso la concentración de O2 en el espacio de cabeza caerá rápidamente. Tenga en cuenta que los tapones de algodón pueden proporcionar una barrera significativa a la transferencia de O2, por lo que sería erróneo suponer que el gas de espacio de cabeza en los frascos con tapón tiene la composición de aire. Sería necesario tomar muestras de gas y analizarlas.