-una cámara de cultivo de volumen constante, a la que llega un suministro de nutrientes, y de la que se eliminan o separan los productos tóxicos de desecho (por un dispositivo de rebosadero).
Una vez que el sistema alcanza el equilibrio, el número de células y la concentración de nutrientes en la cámara permanecen constantes, y entonces se dice que el sistema está en estado estacionario, con las células creciendo exponencial mente.
Los parámetros a tener en cuenta son:
-flujo (f), medido en ml/h
-volumen de la cámara de cultivo (v, en ml)
-densidad celular en la cámara (x)
-factor de dilución D = f/v (en h-1).
Existe una pérdida de células por el rebosadero: -dx/dt = x·D
El crecimiento bruto es dx/dt = x·µ
Por lo tanto, el crecimiento neto es dx/dt = x·µ - x·D = x·(µ - D)
Si logramos que el coeficiente de crecimiento (µ) se haga igual al factor de dilución (D), entonces dx/dt = 0, y por lo tanto la concentración de células se hace constante (x= x). El cultivo se encuentra entonces en estado dinámico de equilibrio. Las pérdidas de células por drenaje se compensan con las ganancias por crecimiento.
Una de las maneras de lograr un cultivo continuo es mediante el llamado quimiostato: en el quimiostato podemos controlar de modo independiente la densidad de la población celular y la velocidad de crecimiento del cultivo. La densidad celular en el equilibrio se controla ajustando el factor de dilución (D), mientras que la velocidad de crecimiento se controla variando la concentración del nutriente limitante en la cámara reservorio (SR).
En un quimiostato, los microorganismos pueden cultivarse a una amplia variedad de tasas de crecimiento exponencial,
El quimiostato permite crecimientos balanceados restringidos debido a que existe un nutriente o sustrato presente en una concentración suficientemente baja como para limitar la densidad de población.
Así pues, el quimiostato también permite elegir la densidad de células a la que se quiere trabajar.
Algunos comentarios sobre el gráfico:
La densidad del cultivo es muy similar en un amplio margen de tasas de dilución (D). Este margen es el más adecuado para hacer estudios en el quimiostato. En cambio, el valor de tiempo de generación (g) varía
ampliamente. O sea, el quimiostato puede obtener tasas de crecimiento muy diferentes, sin que se afecte la densidad celular.Sin embargo, a valores extremos de dilución, se puede ver que el equilibrio se rompe:
A altas tasas de dilución la concentración microbiana cambia rápidamente, y en un margen estrecho el cultivo puede drenarse totalmente (DC: dilución crítica). Es decir, el cultivo se “lava” porque su velocidad de recimiento es inferior a la tasa de dilución.
A muy bajas diluciones (DM) el quimiostato no funciona si el nutriente limitante es la fuente de energía. Ello se debe a que en esas condiciones, la fuente de energía sólo se usa para reacciones de mantenimiento de la
integridad celular, pero no queda para el crecimiento. A este valor lo llamamos energía de mantenimiento. Los procesos relacionados con esta energía de mantenimiento son el potencial de membrana, el transporte de solutos y la renovación de proteínas.
Aplicaciones del cultivo continuo en quimiostato:
Aportan una fuente continua de células en fase exponencial, lo que se aplica a procesos industriales de fermentación (producción de bebidas alcohólicas, de antibióticos, de aminoácidos, etc).
En el quimiostato, el crecimiento a bajas concentraciones de sustrato permite estudiar:
aspectos fisiológicos (por ejemplo, catabolismo del sustrato limitante);
selección de mutantes
estudios ecológicos.
Turbidostato
Permite cultivos continuos con un coeficiente m cercano al m máx, trabajando a valores altos de D. Ello lo logra ajustando los valores de densidad celular de modo que ningún factor nutricional se haga limitante.
Se dice que es un sistema de control interno porque es la misma concentración de bacterias la que regula el flujo de entrada y de salida (por medio de un mecanismo electrónico basado en la medición y control de la densidad óptica del cultivo).
Para el mecanismo de su funcionamiento, por favor atender la explicación en clase y consultar el esquema suministrado en la Fig.
Inconvenientes:- es difícil de manejar y ajustar;
- si las bacterias tienen tendencia a adherirse a superficies (paredes internas del aparato), los resultados de medida de la D.O. quedan falseados (infravalorados).
Aplicaciones: se emplea bastante en el estudio de los factores que incrementan o disminuyen la tasa de crecimiento.
Quimiostato
Para introducirnos al funcionamiento del quimiostato, partamos de la observación de lo que pasaría en el turbidostato si desconectamos el fotómetro y ajustamos la bomba 1 para que vierta medio fresco al cultivo a una tasa (flujo) menor que el que mantiene la mcercana a la m máx:
las bacterias tenderían a crecer a mayor velocidad que su dilución debida a adición de medio fresco; por lo tanto, en un principio aumentaría la concentración de bacterias.
Pero este incremento no podría continuar indefinidamente. Pero el crecimiento tampoco se detendría. De hecho, tras un cierto tiempo, el cultivo alcanzaría un nuevo estado estacionario de equilibrio, en el que la tasa de crecimiento se hace proporcional a la tasa de adición de medio fresco. En este caso, el cultivo crece exponencialmente, pero a tasas m <m máx. Sigue creciendo exponencialmente porque la tasa de dilución del cultivo es una función exponencial del tiempo.
La m submáxima viene determinada en el quimiostato por la tasa de dilución (D). La cinética sigue siendo exponencial, ya que en el nuevo estado estacionario de equilibrio latasa de crecimiento compensa a la tasa de dilución, que como sabemos, es una función exponencial.
Ventajas del quimiostato en comparación con el turbidostato:
En un quimiostato, los microorganismos pueden cultivarse a una amplia variedad de tasas de crecimiento exponencial, mientras que, como vimos, en el turbidostato se cultivan en un rango estrecho de valores de m cercanos al m máx.
El quimiostato permite crecimientos balanceados restringidos debido a que existe un nutriente o sustrato presente en una concentración suficientemente baja como para limitar la densidad de población.
SR es la concentración de nutriente en el reservorio, y determina el valor de S, que es la concentración de nutriente limitante en el recipiente de cultivo.
La tasa de adición de ese sustrato determina la tasa de crecimiento.
Así pues, el quimiostato también permite elegir la densidad de células a la que se quiere trabajar.
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