Consideraciones generales en el modelado de muerte cinética de células .
Dada la dificultad en controlar las condiciones de fermentación, especialmente la temperatura, en biorreactores de SSF a gran escala, es muy posible que se produzcan condiciones que causen la muerte de las células. Por lo tanto, podría ser de interés para describir la cinética de muerte dentro del sub-modelo cinético del modelo de biorreactor. Tenga en cuenta que esto a menudo no se ha hecho. En varios modelos de bioreactor la cinética se escribe en términos de biomasa viable sólo, con la tasa de crecimiento que refleja el aumento neto de biomasa viable, es decir, la tasa de crecimiento real menos la tasa de mortalidad. En otras palabras, la ecuación sólo describe el resultado global del crecimiento y la muerte, y no segrega la biomasa en biomasa viva y muerta. Tenga en cuenta que tal enfoque puede conducir a imprecisiones, ya que si hay muerte significativa, entonces el aumento de la biomasa viable no representa la actividad de crecimiento global. En este caso las actividades relacionadas con el crecimiento, como la generación de calor metabólico, estarían subestimadas.
En los casos en que la muerte se toma en cuenta explícitamente, la ecuación de crecimiento se escribe en términos de la tasa de crecimiento real subyacente y una ecuación separada expresa la tasa de mortalidad. Tenga en cuenta que muchos procesos SSF implican hongos, y no es necesariamente una cuestión simple para medir la muerte de hongos experimentalmente. La dificultad se puede observar comparando la situación con la de los estudios sobre la muerte de organismos unicelulares. En este caso, el número de células total se puede determinar a partir de los recuentos totales realizados en una cámara de Neubauer, mientras que el número de células viables se puede determinar por conteos viables, es decir, agitando el pocillo de cultivo para separar las células, Y contando el número de colonias que surgen. En el caso de los hongos, no es posible separar las células individuales de esta manera, ya que están unidas entre sí en el micelio. La muerte se suele inferir por medios indirectos, como una disminución de la tasa específica de absorción de O2. Como resultado, sólo se han hecho relativamente pocos intentos de modelar la muerte cinética de hongos en SSF. Además, no se han hecho intentos para validar las predicciones del modelo sobre las poblaciones relativas de biomasa viva y muerta, sino que las ecuaciones de crecimiento simplemente se han ajustado empíricamente para concordar con las curvas de crecimiento observadas.
Otro factor debe ser considerado. Si el modelo describe el peso seco de la biomasa, la muerte sólo hará que este peso seco disminuya si el modelo describe un proceso de autólisis. En un modelo en el que la biomasa muere y se convierte en biomasa muerta, que entonces permanece estable, no es posible que el modelo describa las disminuciones en la biomasa total.
Enfoques para modelar la muerte cinética que se han utilizado
La suposición más simple es que la muerte es un proceso de primer orden, dando la ecuación:
Donde CXAV y CXAD son las concentraciones absolutas de biomasa viable y muerta, respectivamente, y kd es el coeficiente específico de mortalidad (h-1).
Este término podría simplemente restarse de la ecuación para la producción de biomasa viable. En el caso en que el crecimiento siga la cinética logística, entonces la ecuación para la producción total de biomasa podría ser:
Donde CXAT es la concentración absoluta de biomasa total (es decir, tanto viable como muerta). CXAT aparece en el numerador del término entre paréntesis, ya que se supone que la limitación del crecimiento asociada a la biomasa se debe a la concentración total de biomasa y no simplemente a la concentración de biomasa viable. Esto podría ser cierto para el caso en que el crecimiento está limitado por la disponibilidad de nutrientes.
Restando la tasa de mortalidad de la tasa global de producción de biomasa se obtiene la tasa de aumento de la biomasa viable:
Las ecuaciones de Arrhenius se pueden utilizar para expresar el efecto de condiciones ambientales tales como temperatura en crecimiento:
Y en la muerte:
Donde T es la temperatura (° C), Ag y Ad son los factores de frecuencia para el crecimiento y la muerte (h-1) y Eag y Ead son las energías de activación para el crecimiento y la muerte (J mol-1).