El creixement de microorganismes en fermentadors: d’octubre 2008

Els microorganismes són éssers vius de mida molt reduïda que creixen a la natura en un rang determinat de condicions (temperatura, nutrients, pH, oxigen, aigua...). Majoritàriament, els microorganismes augmenten la seva població per bipartició, procés en el qual una cèl·lula mare dóna a lloc a dos cèl·lules filles idèntiques. A partir d'aquest procés es dóna lloc a un creixement exponencial de la població microorganismes. Podem diferenciar diverses fases en una població (que més endavant explicarem).

Generalment, cada espècie de microorganisme té unes condicions diferents de creixement; i en alguns casos els humans hem aconseguit reproduir-les al laboratori, obtinguent així cultius de microorganismes que desitgem. L'ésser humà utilitza als microorganismes per obtenir substàncies d'interés (antibiòtics, cerveses...) i per poder obtenir una producció a gran escala i controlada, s'utilitzen els fermentadors.

Globalment, tenim 2 tipus de fermentadors: els continus i els tancats. Els continus són fermentadors on es va afegint nutrients estèrils al mateix moment que se n'extreu les substàncies resultants amb els microorganismes. Realment, aquest tipus de fermentador suposa menys costos però presenta diversos inconvenients a nivell industrial, com per exemple, l'aparició de mutants no productius.

Els fermentadors tancats són fermentadors on generalment hi incorporem substracte i microorgansimes, i durant el procés no hi ha entrada ni sortida de medi de cultiu ni de matèria orgànica fins al final del procés.

Esquemes de fermentadors, el primer es de cultiu continu i el segon de cultiu tancat. Pàg. web

En un cultiu bacterià de medi liquid es poden diferenciar 4 fases de creixement:

Fase de latència: és la fase en què els microorganismes adapten el seu metabolisme a les noves condicions ambientals per poder començar el creixement exponecial. Aquesta fase només té sentit en cultius tancats, ja que, en cultius continus no hi ha aturada del creixement.

Fase exponencial o logarítmica: en aquesta fase la velocitat del creixement és màxima i el temps de generació és mínim. Els microorganismes consumeixen els nutrients del medi en la velocitat màxima.

Fase estacionaria: durant aquesta fase no s’incrementa el número de microorganismes ( entren en aquesta fase perquè se’ls ha acabat algun nutrient essencial del medi).

Fase de mort: es produeix una reducció del número de microorganismes viables en el cultiu.

Gràfic de creixement dels microorganismes dins un fermentador tancat. Pàg. web

El creixement en cultiu es pot determinar mesurant experimentalment diferents factors:

Recompte directe: consisteix en l’observació al microscopi de volums molt petits de suspensions de microorganismes. S’utilitzen portaobjectes especials anomenats càmeres de Petroff-hausser.

Mesura de la massa de cèl·lules: es basa en mesurar la turbidesa del cultiu, ja que les cèl·lules en suspensió dispersen la llum.

Recompte de viables: consisteix en sembrar un volum determinat de mostra sobre el mitjà de cultiu sòlid adequat, i es recompte el número de colònies que es formen amb el supòsit de que cada una d’aquestes deriva d’una UFC.

Mida del número de partícules: s’utilitza contadors electrònics de partícules. Aquests sistemes ens indiquen si les partícules corresponen a cèl·lules vives o mortes.

Mida dels paràmetres bioquímics: com per exemple mesura de la quantitat d’ADN, ARN, proteïnes, peptidoglicà, etc per unitat de volum.

Mida de l’activitat metabòlica dels microorganismes.

FACTORS FÍSICS I QUÍMICS QUE INFLUEIXEN EN EL CREIXEMENT DEL MICROORGANISME:

Temperatura: cada microorganisme té un marge de temperatura de creixement. Dins d'aquest marge, hi ha una temperatura òptima on la velocitat de creixement és màxima. En canvi, quan ens trobem per sota del rang, no hi ha creixement i quan ens situem per sobre, es produeix la mort del microorganisme .

Activitat de l’aigua: depenent del cultiu que tinguem, l'aigua pot ser un factor limitant de la supervivència, ja que pot ser necessària per les rutes metabòliques de l'organisme o bé pel medi on està situat, per exemple si ens trobem en un líquid, l'aigua és important, en canvi, en un medi sòlid, el microorganisme la pot necessitar.

pH: és un paràmetre crític en el creixement dels microorganismes ja que cada espècie viu en un rang concret, fora d’aquest rang es mor.

Potencial redox: ens indica la capacitat del substracte per acceptar o donar electrons i els classifiquem en oxidants (metabolisme oxidatiu o respiratiu) o reductors (metabolisme fermentatiu).

FERMENTADOR:

El recipient del fermentador ha de ser esterilitzat i resistent a la possible corrosió per part dels microorganismes, per tant, el millor material per a la seva construcció és el vidre o l'acer inoxidable.

Tots els fermentadors han de tenir:

- entrada o sortida de gasos

- entrada del medi de cultiu/sortida del producte

- entrada o acumulació del substracte de creixement

-recollida de mostres pel control del microorganisme

- sistema d’agitació

Foto fermentador real. Pàg web

A partir dels fermentadors podem controlar aquests factors que els delimitarà el creixement, i amb un estudi previ podrem obtenir les condicions òptimes del microorganismes que volem reproduir.

Una de les maneres per poder controlar els factors abans esmentats són:

-L’agitació: és la suspensió homogènia dels microorganismes i nutrients. I aquesta varia segons:

- Posició
- Mida
- Forma
- Motor de l’agitador

- Aireació: proporciona oxigen als microorganismes en la mesura adequada i a través d’aquest metode també es pot introduir aigua en el medi. L'aireació varia segons: