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[http://planetabeta.com/aprendiendo-cuidar-ambiente] 1er Revisin

Manual de Prcticas Biotecnologa Ambiental |2011

NORMAS GENERALES DE TRABAJO EN EL LABORATORIO

El laboratorio de biotecnologa es un lugar adecuado para llevar a cabo prcticas

de las diversas reas de trabajo, cuenta con material de vidrio, equipo bsico de

laboratorio, as como reactivos y medio de cultivo.

Es necesario cumplir con los REQUISITOS BSICOS:

1. Pase de lista a los 10 min de la hora de entrada. 2. Traer lo indispensable para su trabajo dentro del laboratorio (cinta maskin,

encendedor, plumon indeleble, tijeras, franela limpia, etc) de no ser as se le bajaran 5 puntos de su trabajo de laboratorio cada vez que carezca de material de trabajo.

3. Evitar la contaminacin con microorganismos ajenos a nuestro sistema de

estudio

Para mantener ests condiciones tambin es necesario respetar una serie de

NORMAS DE SEGURIDAD:

1. Entrar con la bata puesta, abotonada y limpia. si va a trabajar extra clase avisar al profesor que este en clase que actividad realizar y quin es su profesor.

2. No comer dentro del laboratorio. 3. Limpiar mesa con franela limpia y de su propiedad. 4. Checar al inicio del laboratorio la tarja que le corresponde, no deber existir

material roto o sucio, si no es reportado dicho material ser su responsabilidad lavarlo y/o pagarlo.

5. En caso de que exista material limpio y seco, este ser guardado inmediatamente en su lugar asi prevenimos que se rompa el mismo.

6. Dejar limpio su lugar de trabajo en la parte superior e inferior. 7. Colocar su mochila en la parte inferior de la mesa de trabajo de lo contrario

se le quitaran 5 ptos de trabajo de laboratorio cada vez que se le llame la atencin.

8. No est permitido abrir sus maquinas porttiles para realizar tareas ajenas al laboratorio, de lo contrario se le recoger y se entregara al final de la sesin del laboratorio.

9. No est permitido contestar llamadas de celular durante la discusin de lo contrario se quedar con cero.

10. Se les asignara una gaveta y un lugar en el refrigerador por grupo, mismos que tendrn que mantenerse limpios y ordenados.

11. Se deber mantener una conducta adecuada dentro del laboratorio, se hablarn con respeto y manteniendo un nivel ptimo de sonido.

12. Etiquetar todo su material y reactivos con plumn indeleble o se desechara. 13. Usar agua destilada para preparar soluciones y/o enjuagar material, sta

agua se tomar del rea de bioingeniera ya que el equipo dentro del


laboratorio nos proporciona agua desionizada y miliQ misma que ser usada segn se requiera.

14. Si va a utilizar la campana de extraccin colocar un papel en la base para evitar que se manche el acero con los diferentes reactivos.

15. Cuando requiera trabajar extra clase, lo har en la parte del fondo del laboratorio y pedir acceso al profesor que se encuentre en ese momento, solo tiene que decir: EXTRACLASE del profesor ______________

EVALUACIN INICIO DE PRCTICA:

1. Se entregar bitacora con diagrama de flujo metodologa y cuestionario

contestado al inicio de cada sesion, misma que ser presentada en una

libreta exclusiva de la materia. o bien hojas sueltas que al final de la materia

se mostrarn engargoladas con las 6 prcticas realizadas junto con reporte

c/u.

2. Como parte de su trabajo de laboratorio se le preguntar al alumno la

metodologa a realizar y en caso de que no sepa se le descontarn 5

puntos.

3. El laboratorio de biotecnologa ambiental tiene un valor de 30 % de la

calificacin final que se califican de la siguiente manera:

Bitcora 10% diagrama flujo metodologa y cuestionario

Examen 20% escrito

Trabajo Experimental 35% desempeo global en el laboratorio

Discusin 10% ser realizada por los alumnos

Informe de la prctica 25%

Se entregar en la libreta u hojas sueltas consta:

Portada

Titulo

Introduccin

Objetivos

Resultados y anlisis de resultados

Conclusiones

Referencias Bibliogrficas

Anexo: Cuestionario


4. Se requiere de un mnimo de 80% de asistencia a las sesiones prcticas

para acreditar el laboratorio.

5. Recuerde que si no acredita laboratorio no puede acreditar la teoria.

FINAL DE PRCTICA:

1. Al final de cada sesin se entregar mesa y material limpio.

2. Al final del semestre se entregar una libreta con las bitcoras y/o las hojas

engargoladas y se anexarn sus reportes de cada prctica.

3. Al final del semestre durante la ltima sesin de laboratorio se entregar su

gaveta y lugar de refrigerador vacio y limpio.


INDICE

Prctica 1. Extraccin de ADN genmico de suelo Dra. Estela Flores Gmez

X

Prctica 2. Degradacin de fenoles Dra. Ins Garca

X

Prctica 3. Produccin de Metano Dra. Estela Flores Gmez

X

Prctica 4. Determinacin de DQO Dra. Ins Garca

Prctica 5. Produccin de bioetanol Dra. Ins Garca

X

Prctica 6. Determinacin del Kla por el mtodo del sulfito M. en c. Jessica Batalla Mayoral

X

Prctica 7. Biodisel M. en c. Jessica Batalla Mayoral

Pendiente

Prctica 8. Prctica de Campo Dra. Ins Garca Dra. Estela Flores Gmez M. en c. Jessica Batalla Mayoral

Pendiente


Prctica 1. EXTRACCIN Y ANLISIS ADN genmico de suelo

I. INTRODUCCIN

Podemos considerar el ADN o cido desoxiribonucleico, como el cerebro

celular que regula el nmero y naturaleza de cada tipo de estructura y

composicin celular, transmitiendo la informacin hereditaria y determinando la

estructura de las protenas, que a travs de enzimas determinar el resto de

funciones celulares. A finales del siglo pasado se descubri tambin la existencia

de una segunda clase de cido nucleico, denominado cido ribonucleico (ARN). El

ARN se encuentra tanto en el ncleo (concretamente en el nuclolo) como en el

citoplasma de las clulas de manera abundante.

Ambos tipos de cido nucleico, ADN y ARN, se encuentran simultneamente en

organismos eucariotas (con clulas de ncleo diferenciado) y procariotas

(bacterias, etc.), y slo uno de ellos en los virus.

Para una extraccin de ADN efectiva se deber conocer las caractersticas

bsicas de la muestra con la que trabajar, se debe conocer si el ADN a ser

extrado proviene de una clula procaritica o eucaritica dado que los

componentes que forman la pared y membrana celular de estos organismos es

distinta. Existen diversos mtodos de extraccin de ADN que se ajustan a las

necesidades de cada tipo de muestra, estos incluyen tratamientos fsicos,

qumicos, enzimticos o una combinacin de los mismos.

Por otro lado, la Ingeniera Gentica (IG) es una herramienta que trabaja

bsicamente con cidos nucleicos. Su anlisis, manipulacin o clonaje requieren

poder disponer de una cantidad adecuada de material y en estado suficientemente

puro para su utilizacin con garantas; en general, se podra definir como un

conjunto de metodologas que permite transferir genes de un organismo a otro y

expresarlos (producir las protenas para las cuales estos genes codifican) en

organismos diferentes al de origen. El ADN que combina fragmentos de

organismos diferentes se denomina ADN recombinante. As, es posible no slo

obtener protenas recombinantes de inters sino tambin mejorar cultivos y

animales. Los organismos que reciben un gen que les aporta una nueva

caracterstica se denominan organismos genticamente modificados (OGM) o

transgnicos. A su vez, la IG es lo que caracteriza a la biotecnologa moderna que

implementa estas tcnicas en la produccin de bienes y servicios tiles para el ser

humano, el ambiente y la industria.

El objetivo general de sta prctica es la extraccin de ADN genmico de suelo, y

como objetivos especficos, determinar la calidad del material gentico extrado


mediante una electroforesis en gel de agarosa as como la estimacin de la

concentracin y pureza del mismo.

II. Objetivos

III. Material y reactivos

- Micropipeta 1 ml, 200 y 20 ul

- Puntas para micropipeta 1 ml, 200 ul y 20 ul estriles

- Tubos de plstico de 5 ml estriles

- Tubos para microcentrifuga eppendorf 2 ml

- Un cuadrito de parafilm

- 300-400 mg de suelo.

- Guantes

EQUIPO

- Microcentrfuga

- Espectrofotmetro

- Celdas de cuarzo.

- Cmara de Electroforesis

- Campana de extraccin

REACTIVOS

-Buffer de extraccin CTAB

- Cloroformo:Octanol (24:1)

- Fenol:Cloroformo (1:1)

- Isopropanol fro

- NaCl 5.0 M pH 5.2

- EtOH


- Solucin de lavado 1: 76% EtOH, 0.2 M NaOAc

- Solucin de lavado 2: 76% EtOH, 10 mM NH4OAc

- Buffer TE (10 mM Tris-HCl, 1 mM Na2EDTA, pH 8.0)

- Buffer de corrimiento TAE 50X (Trisbase, Ac. actico glacial, Na2EDTA pH 8.0)

- Buffer de carga (Tris, azul de bromofenol y glicerol)

- Bromuro de Etidio.

- Marcador de peso molecular como control.

- RNAsa (10mg/ml)

IV. METODOLOGIA

3.1 Extraccin de ADN genmico de suelo

1. PONTE TUS GUANTES

2. Pesar 300-400 mg de suelo en un tubo de centrifuga de polipropileno de 15 ml.

3. Adicionar 9.0 ml de CTAB precalentado (65C) al suelo y mezclar suavemente

por inversin varias veces.

Nota: Se recomienda distribuir el suelo a lo largo del tubo antes de aadir el buffer,

para evitar el aglutinamiento del suelo en el fondo del tubo.

4. Incubar 60-90 min a 65 C con agitaciones continuas.

5. Sacar los tubos de la incubadora y esperar de 45 min que se enfren, y

despus adicionar 4.5 ml cloroformo:octanol (24:1). Cerrar el tubo para mezclar de

5-10 min.

6. Centrifugar por 10 min a 3200 rpm a Temperatura Ambiente (TA).

OJO: debajo de 15C el complejo CTAB/ADN puede precipitar, por lo tanto evitar

esta condicin.


7. Transferir la fase acuosa a un tubo nuevo de 15 ml. Adicionar 4.5 ml de

cloroformo/octanol y mezclar suavemente por 5-10 min.

8. Centrifugar por 10 min a 3200 rpm a TA.

9. Transferir la fase acuosa a un tubo nuevo de 15 ml que contenga 30 ul de

RNAsa (10mg/ml) precalentada. Mezclar por inversin e incubar 30 min a TA.

10. Adicionar 6 ml de isopropanol (2-propanol). Mezclar suavemente por inversin.

11. Remover el ADN precipitado con una varilla de vidrio en forma de gancho o

bien centrifugar para obtener la pastilla de ADN.

Extraccin con Fenol para obtener ADN de alta pureza

sta opcin es altamente recomendada para anlisis de ADN basados en la

reaccin en cadena de la polimerasa (PCR), as como RAPDs.

12. Colocar el ADN en un microtubo eppendorf de 2 ml que contenga previamente

1 ml de TE; suavemente girar el gancho hasta depositar el ADN del paso anterior.

Tapar los tubos y mezclar, dejar toda la noche a que se disuelva el ADN a TA.

13. Aadir 1 vol de fenol:cloroformo en relacin 1:1. Centrifugar los tubos a 3200

rpm durante 10 min.

14. Transferir la fase acuosa a un tubo eppendorf nuevo estril de 2 ml. Extraer el

ADN con 1 ml (1X volumen TE original) de cloroformo:octanol. Centrifugar la

muestra 10 min a 3000-3200 rpm.

15. Transferir la fase acuosa a un nuevo tubo eppendorf de 2ml estril.

Precipitacin con Etanol

16. Precipitar el ADN adicionando 50 ul de NaCl 5 M y despus 1 ml de EtOH

absoluto. Mezclar suavemente por inversin.

17. Centrifugar a 12000 rpm, 1 min para recuperar la pastilla de ADN.

Lavados de la pastilla


18. Aadir 2 ml solucin de lavado 1. Dejar la pastilla 10-20 min agitando

suavemente de manera continua.

19. Centrifugar a 12000 rpm, 1 min para recuperar la pastilla y decantar

sobrenadante.

20. Adicionar la solucin de lavado 2 y enjuagar la pastilla de ADN. Centrifugar

para recuperar la pastilla de ADN 12krpm, 1 min.

21. Decantar la solucin de lavado 2 y dejar secar la pastilla.

22. Adicionar 0.3 a 0.5 ml de TE al tubo eppendorf hasta que se disuelva la pastilla

de ADN. Tapar el tubo y dejar toda la noche disolver el ADN a TA. Almacenar las

muestras a 4 C.

3.2 Electroforesis en gel de agarosa.

La calidad de ADN se determina mediante una corrida de electroforesis en gel de agarosa al 1%.

1. Pesar 1 gr de agarosa y aadir Buffer TAE 1X para completar 100 ml. 2. Se funde en un horno de microondas y se aaden 5 ul de BrET

Nota: La adicin del BrEt puede hacerse de diferentes formas.

3. Se deposita en el carro con peine para el gel. 4. Se deja solidificar en una campana de extraccin. 5. Se desmonta y se coloca en la cmara de corrimiento con Buffer TAE 1X

que tape el gel de agarosa. 6. Para cargar la muestra, se coloca 5 ul de ADN y una gota de buffer de

carga sobre un cuadrito de parafilm, se mezclan y se cargan en el gel. Nota: se puede colocar marcador de peso en el primer carril (1Kb).

7. Se carga el gel de agarosa. 8. Se conecta la fuente de poder y se corre el gel a un voltaje de 70-90 V

segn el tamao de la cmara. 9. Una vez que se separaron los dos colorantes y estos llegaron partes del

gel, se saca el gel de la cmara de corrimiento y se observa en el transiluminador con la luz UV.

3.3 Estimacin de la concentracin de ADN


a. Diluir 20 l de muestra de ADN en 980 l de agua desionizada y estril (dilucin 1/50)

b. Medir absorbancia por espectrofotometra a una DO 260 nm usando celdas de 1 ml de cuarzo.

c. La concentracin de ADN a DO260 = 1.0 en una celda de 1 cm equivale

a 50 g de ADN por ml de agua. Para calcular la concentracin de la muestra:

Concentracin de ADN [ug/ul] = 50 g / ml x DO260 x 50 (factor de dilucin)

1000

[ADN total] = [ADN] x volumen eludo en ml

3.4 Estimacin de la pureza del ADN

El grado de pureza o ausencia de protenas y otros contaminantes de una

disolucin de ADN puede estimarse calculando el cociente A260/A280.

Cuando este se encuentra entre 1.8-2.0 la muestra contiene casi exclusivamente

ADN.

V. Resultados y Anlisis de Resultados

a) Discute los resultados obtenidos en tu prctica:

Obtencin de ADN Electroforesis en gel (FOTO GEL con ubicacin de tu carril de corrimiento) Espectrofotometra (Concentracin y pureza del ADN)

b) Elabore un dibujo de la cmara de electroforesis donde muestras el corrimiento

de tu gel y las caractersticas de la corrida.

CUESTIONARIO


1. Lleve a cabo un diagrama de flujo del procedimiento efectuado y coloca del

lado derecho la funcin de cada solucin utilizada en el proceso de obtencin

de ADN.

VI. Conclusiones

VII. REFERENCIAS

- Perera J, Tormo A y Garca JL. 2002. Ingeniera Gentica (Vol.1): Preparacin,

anlisis, manipulacin y clonaje de ADN. Ed. Sntesis, S.A. Madrid, Espaa.

- Hoisington D, Khairallah M. y Gonzlez de Len D. 1994. Laboratory Protocols

CIMMYT Applied Molecular Genetics Laboratory. Second edition. Mxico,

D.F.:CIMMYT

- www.cuadernosdebiotecnologia.ar Cuaderno No 4

ANEXO 1

Cuestionario (Parte Bitcora)

NOTA: Se entregar con las respuestas correctas en su Reporte

2. Qu aplicacin ambiental tendra el ADN extrado de bacterias del suelo?

3. Qu carga posee el ADN y a que se debe?

4. Para que se usa el buffer de corrimiento TAE?

5. Cuales son las caractersticas del buffer de carga (componentes)?

6. Cmo funciona el Rojo Texas?

7. Existen otros colorantes adems del Rojo Texas para hacer visible el ADN en

el gel de agarosa?

8. Por qu se utilizan celdas de cuarzo y no de plstico para leer ADN en el

espectrofotmetro?

9. Por qu se lee el ADN a una absorbancia de 280 para valorar su pureza?

10. Qu es un marcador de peso molecular?


Prctica 2. Degradacin de contaminantes: cinticas de crecimiento y

degradacin.

Introduccin

Los compuestos fenlicos forman una parte importante de la gran fraccin de

contaminantes que ingresan al medio ambiente da a da. Las aguas residuales

generadas por las industrias qumicas, petroqumicas y del acero contienen con

mucha frecuencia altas concentraciones de compuestos fenlicos [11], los cuales

representan un serio problema ecolgico debido a su uso extenso, a su toxicidad y

a que tambin se generan a travs de los procesos aerobios en el ambiente [21].

Los fenoles son intermediarios en la produccin de algunos otros qumicos, la

produccin global de resinas fenlicas en el ao 2001 fue estimada de 2.9

millones de toneladas. Tambin se desechan en las corrientes acuosas de las

industrias refineras de petrleo, obtencin y conversin de carbn, plantas

qumicas, fundidoras de metal y plantas de papel [2, 17,48].

Los compuestos fenlicos se utilizan para diversos propsitos en muchas reas,

por ejemplo los compuestos fenlicos clorados se utilizan especficamente como

preservativos de la pintura, cuero, mercancas textiles y como agentes

antimicrobianos. Se producen en plantas petroqumicas y procesos de blanquear

corteza durante la produccin de papel [52]. Debido al tratamiento incorrecto de

estos materiales, se han contaminado extensamente el suelo y el agua

subterrnea y su toxicidad afecta seriamente organismos vivos. Estos son agentes

carcingenos y se sospecha como precursores de la dioxina [10].

Los compuestos fenlicos clorados y otros derivados son usados extensamente

como insecticidas, fungicidas y herbicidas por la industria y usos agrcolas

alrededor del mundo. Estos compuestos tienden a incrementar su toxicidad con el

aumento del grado de cloracin. Algunos clorofenoles tienden a ser

bioacumulables dentro del medio ambiente pudiendo llegar a ser un peligro pblico

[26].


Algunos procesos de refinera producen pequeos volmenes de agua, con altas

concentraciones de fenoles y alquilfenoles, los datos reportados son de 16.3 g/L y

20.1 g/L, donde regularmente el 75% es fenol y el 10% son compuestos alquilos-

sustituidos, como lo son los cresoles, xilenos y etilfenoles [24].

El fenol es un agente potencialmente carcingeno humano y es de considerable

preocupacin para la salud, aun a concentraciones bajas. En Mxico en la NOM-

127-SSA1-1994 el lmite mximo permisible de fenol es de 0.001 mg/L en agua

potable. Por lo tanto, el tratamiento de las aguas residuales que contienen fenol es

una necesidad.

Se han investigado muchas tecnologas para la remocin y/o desintoxicacin de

los compuestos fenlicos en aguas residuales, esta puede llevarse a cabo

mediante distintos procesos fsicos, qumicos o biolgicos entre los que se

Incluyen, la adsorcin [42], la biodegradacin [35], UV/Fe+3 [52], extraccin por

membrana lquida [32] y oxidacin [5,15,46]. El reto para la biotecnologa es

generar mtodos de bioremediacin con altas eficiencias, relacin costo-

efectividad y ambientalmente seguros, para reemplazar la tecnologa existente y

promover soluciones para la remediacin de sitios contaminados. Los tratamientos

enzimticos son una tecnologa relativamente nueva en el tratamiento de aguas

residuales y promueven una alternativa ambiental para el sanamiento de efluentes

peligrosos o contaminantes orgnicos xenobioticos [27].

Para tratar compuestos fenlicos, los mtodos biolgicos muestran algunas

ventajas sobre los mtodos fsicos y qumicos, ya que estos son econmicos y no

generan subproductos. Muchos estudios apoyan el tratamiento biolgico de aguas

residuales o del agua subterrnea. Los microorganismos usados son

generalmente aerobios, incluyendo Pseudomonas sp. [13,16, 23], Alcaligenes sp.

[22,47], Azotobacter sp. [31], Rhodococcus sp. [3,40], Phanerochaete sp. [30,41],

y Cryptococcus sp. [37]. Estos cultivos aerobios son ms eficientes en degradar

compuestos txicos debido a que crecen ms rpidamente que los anaerobios y


transforman generalmente los compuestos orgnicos a compuestos inorgnicos

(CO2, H2O).

La diferencia de la estructura y de la toxicidad entre los compuestos fenlicos

requiere que varias bacterias tengan cualidades especficas para degradar cada

compuesto y un cultivo mixto puede ser aplicado. El cultivo mixto significa que

varias clases de microorganismos son cultivados simultneamente. El cultivo mixto

se divide en tipos indefinidos y definidos. Los lodos activados constituyen un

ejemplo de un cultivo mixto indefinido. El lodo activado es un grupo complejo de

microorganismos que pueden oxidar las aguas residuales bajo condiciones

aerobias. Para tratar aguas residuales especiales, incluyendo compuestos muy

txicos y recalcitrantes mediante un lodo activado, la adaptacin es generalmente

necesaria. Si se agregan los microorganismos que pueden degradar estos

materiales, el tiempo de la adaptacin puede ser reducido y las eficiencias se

pueden incrementar. Para hacer esto, un estudio de cultivos puros o cultivos

mixtos definidos es importante.

Las clulas inmovilizadas han sido bien definidas como clulas que son atrapadas,

asociadas a una matriz insoluble. Mattiasson [33] discuti varios mtodos de

inmovilizacin: pares covalentes, adsorcin, atrapamiento en una red de polmero

tridimensional, confinamiento en una emulsin liquido-liquido, y atrapamiento con

una membrana semipermeable. Bajo algunas condiciones, las clulas

inmovilizadas, tienen ventajas sobre las clulas libres y enzimas inmovilizadas. El

uso de clulas inmovilizadas permite la operacin de bioreactores a flujos que son

independientes de la velocidad de crecimiento de los microorganismos empleados

[39]. La estabilidad cataltica puede ser mas grande por las clulas inmovilizadas

que por las clulas libres, y algunos microorganismos inmovilizados son tolerantes

a las altas concentraciones de compuestos txicos en comparacin con las clulas

libres [19, 29]

La degradacin del fenol por microorganismos puros y consorcios mixtos ha sido

extensamente estudiada. [1,11,14,21,43,44]. La mayora de los cultivos evaluados

son capaces de degradar el fenol en bajas concentraciones.


Un gran nmero de los estudios en la degradacin del fenol se han realizado con

cepas puras de bacterias, principalmente del gnero de las Pseudomonas.

[1.21.51] Un gran numero de levaduras y hongos filamentosos tienen una

capacidad que degradar fenol. Entre los tipos de levaduras, la Candida tropicalis

ha sido la ms estudiada. C. tropicalis es una levadura hidrocarbonoclastica capaz

de degradar el fenol, derivados del fenol y compuestos alifticos, en

concentraciones relativamente altas (


Observar, describir y analizar la degradacin de fenoles en cultivo en lote con un

consorcio microbiano especializado.

Durante la prctica se podr evaluar la degradacin de un contaminante orgnico

como el fenol.

Se describir y analizar la cintica de crecimiento bacteriano a diferentes

concentraciones de fenol (50, 100, 150 y 200 mg/L).

Metodologa

Inoculo y medio de cultivo.

El consorcio microbiano fue donado de la UAM-I de un proyecto de degradacin de

solventes orgnicos. Como medio de cultivo se utiliz medio mineral basal, con las

siguientes componentes (por litro de agua destilada): NH4SO2, 3g; KH2PO4 0.60 g;

K2HPO4 2.4 g; MgSO4 1.5 g; FeSO4 0.03 g/L. El medio ser inoculado con 10% de

del consorcio microbiano.

La prctica se llevara a cabo en matraces de 200 o 250 mL a los cuales se les

agregaran 100 mL de medio de cultivo estril. Cada equipo preparara una

concentracin diferente de contaminante. Se tomaran muestras diarias durante una

semana para determinar el crecimiento y la degradacin.

Tcnicas analticas

Determinacin de consumo de sustrato. Espectrofotometra UV.

Los compuestos fenlicos seran analizados con una previa filtracin a travs de un

filtro de membrana de celulosa de 0.45 m con el fin de capturar material

biolgico para que no exista interferencia en las lecturas por espectrofotometra

usando espectrofotmetro UV Beckman DU 650 y UNICO. La absorbancia sera

medida a una longitud de onda de 254 nm.

La biomasa producida se determinara en la regin visible a 650 nm.

Se determinara la concentracin final de CO2 por cromatografa de gases.

Cuestionario.


1. Por que se requiere degradar compuestos fenolicos?

2. Cul es el principio que se utilizara para la determinacin del consumo de

sustrato?

3. Cul es el modelo de crecimiento bacteriano ms conocido?

4. Describa los parmetros de dicho modelo.


Prctica 3. PRODUCCIN DE METANO

I.INTRODUCCIN

Qu son los biocombustibles?

A diferencia de los combustibles fsiles que provienen de la energa almacenada durante largos perodos en los restos fsiles, los biocombustibles provienen de la biomasa, o materia orgnica que constituye todos los seres vivos del planeta. La biomasa es una fuente de energa renovable, pues su produccin es mucho ms rpida que la formacin de los combustibles fsiles.

Entre los cultivos posibles de utilizar para la elaboracin de biocombustibles, estn los de alto tenor de carbohidratos (caa de azcar, maz, mandioca), las oleaginosas (soja, girasol, palmas) y las esencias forestales (eucalipto, pinos).

La siguiente tabla resume los biocombustibles, que se pueden obtener a partir de

la biomasa:

Fuente: http://usuarios.lycos.es/biodieseltr/hobbies4.html

En gran parte del mundo, la lea (o carbn vegetal) que se obtiene a partir de la madera sigue siendo el principal biocombustible empleado para la cocina, la calefaccin y la luz. Esta fuente de energa es un recurso renovable si se obtiene a partir de bosques convenientemente reforestados. Asimismo, muchos vehculos utilizan biocombustibles a base de metanol y etanol mezclado con gasolina. Se puede obtener etanol a partir de la caa de azcar, de la remolacha o el maz. En algunos pases como la India y la China producen biogs a partir de la fermentacin natural de desechos orgnicos (excrementos de animales y residuos vegetales).

Tipos de combustibles obtenidos de la biomasa

Slidos Lquidos Gaseosos

Paja

Lea sin procesar

Astillas

Briquetas

Carbn vegetal

Alcoholes

Biohidrocarburos

Aceites vegetales y steres

derivados

Aceites de pirolisis

Gas de

Gasgeno

Biogs

Hidrgeno


La obtencin de biocombustibles Segn la naturaleza de la biomasa y el tipo de combustible deseado, se pueden utilizar diferentes mtodos para obtener biocombustibles: procesos mecnicos (astillado, trituracin, compactacin), termoqumicos (combustin, pirolisis y gasificacin), biotecnolgicos (micro bacterianos o enzimticos) y extractivos. En la siguiente tabla se presenta una sntesis de estos principales procesos de transformacin y de los biocombustibles derivados, as como las aplicaciones ms frecuentes en cada uno de ellos. Cada uno de estos procesos se inicia con la biomasa vegetal que se forma a partir del proceso de fotosntesis, con el aporte de la energa solar que captan y transforman estos organismos.

Fuente: http://usuarios.lycos.es/biodieseltr/hobbies4.html

Cada tcnica depende del tipo de biomasa disponible. Si se trata de un material seco puede convertirse en calor directo mediante combustin, el cual producir vapor para generar energa elctrica. Si contiene agua, se puede realizar la digestin anaerbica que lo convertir en metano y otros gases, o fermentar para

Proceso de obtencin de biocombustibles

Mecnicos Termoqumicos Biotecnolgicos Extractivos

Tcnicas Astillado

Trituracin

Compactaci

n

Pirolisis Gasificacin Fermentaci

n

Digestin

anaerobia

Extraccin

fsico-

qumica

Productos Leas

Astillas

Briquetas

Aserrn

Carbn

Aceites

Gas de

gasgeno

Etanol

Varios

Biogs

Co2, CH4

Aceites

steres

Hidrocarburo

s

Aplicacion

es

Calefaccin

Electricidad

Calefaccin

Electricidad

Transporte

Industria

qumica

Calefaccin

Electricidad

Transporte

Industria

qumica

Transporte

Industria

qumica

Calefacci

n

Electricida

d

Transporte

Industria

qumica


producir alcohol, o convertir en hidrocarburo por reduccin qumica. Si se aplican mtodos termoqumicos es posible extraer metanol, aceites, gases, etc. El mtodo de la digestin por el cual se obtiene biogs es el ms empleado.

El Biogs

Casi tres mil millones de personas en el mundo emplean todava la lea como

fuente de energa para calentar agua y cocinar, lo que provoca, entre otros

efectos, la prdida de millones de hectreas de bosques tropicales y zonas

arboladas.

En respuesta a esta situacin surgen otras alternativas para obtener energa, entre

ellas, la produccin de biogs a partir de la fermentacin de la materia orgnica.

Para la obtencin de biogs se puede utilizar como materia prima la excreta

animal, la cachaza de la caa de azcar, los residuales de mataderos, destileras y

fbricas de levadura, la pulpa y la cscara del caf, as como la materia seca

vegetal.

Esta tcnica permite resolver parcialmente la demanda de energa en zonas

rurales, reduce la deforestacin debida a la tala de rboles para lea, permite

reciclar los desechos de la actividad agropecuaria y, es un recurso energtico

limpio y renovable.

El biogs que se desprende de los tanques o digestores es rico en metano que

puede ser empleado para generar energa elctrica o mecnica mediante su

combustin, sea en plantas industriales o para uso domstico.

Digestor domstico Digestor industrial Las fotografas muestran digestores de uso domstico y otros industriales para la

obtencin de biogs. La primera instalacin domstica para producir biogs se

habra construido en la India alrededor del 1900. Actualmente funcionaran en ese


pas alrededor de 200 mil biodigestores, y en China alrededor de 6 millones. Las

instalaciones industriales de produccin de biogs emplean tanques de metal que

sirven para almacenar la materia orgnica y el biogs por separado. Debido al

gran volumen de materia orgnica que necesita para garantizar la produccin de

biogs y la cantidad de biofertilizante que se obtiene, se disea con grandes

estanques de recoleccin y almacenamiento construidos de ladrillo u hormign.

Fuente: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia22/HTML/articulo04.htm

El biogs se obtiene al descomponerse la materia orgnica debido a la accin de

cuatro tipos de bacterias, en ausencia de oxgeno:

a. las hidrolticas, que producen cido actico, compuestos monocarbonados, cidos grasos orgnicos y otros compuestos policarbonados;

b. las acetognicas, productoras de hidrgeno; c. las homoacetognicas, que pueden convertir una cantidad considerable de

compuestos carbonados en cido actico; d. las metanognicas, productoras del gas metano, principal componente del

biogs, con una proporcin de 40 a 70 % de metano (CH4). Algunas ventajas del empleo de biogs: 1. Permite disminuir la tala de los bosques al no ser necesario el uso de la lea

para cocinar. 2. Presenta diversidad de usos: alumbrado, coccin de alimentos, produccin de

energa elctrica, transporte automotor y otros. 3. Produce biofertilizante rico en nitrgeno, fsforo y potasio, capaz de competir

con los fertilizantes qumicos, que son ms caros y daan el medio ambiente. 4. Elimina los desechos orgnicos, por ejemplo, la excreta animal, contaminante

del medio ambiente y fuente de enfermedades para el hombre y los animales.

Materiales y Mtodo: Produccin de biogs.

Actividad adaptada de El Libro de la Naturaleza y la tecnologa 8, EGB. Editorial

Estrada (1998), y Biologa II. Polimodal. Ecologa y Evolucin. Editorial Estrada

(2001) visto en cuadernos de biotecnologa No 58

(http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educacion/cuaderno/ec_58.asp?cuaderno

=58)


El biogs es un gas producido por la accin de microorganismos sobre materia

orgnica de desecho, por ejemplo restos vegetales (cscaras de frutas, hojarasca,

etc.) o estircol (excremento de animales). Durante este proceso de

transformacin de la materia los microorganismos obtienen energa mediante

diferentes procesos. Algunos de los microorganismos liberan dixido de carbono

en el proceso de respiracin, que otros microorganismos emplean en la

fermentacin y producen metano que liberan al entorno.

El metano producido por este mtodo es una fuente de energa alternativa,

denominada bioenerga, que puede reemplazar a las fuentes tradicionales de

energa.

Propsito de la actividad

La experiencia consiste en la construccin de un digestor de materia orgnica,

donde se podr comprobar la produccin de biogs por la accin de los

microorganismos anaerobios (bacterias metangenas), que estn presentes en los

desechos orgnicos. Mediante esta experiencia es posible demostrar la accin de

un tipo de microorganismos que se incluye en el grupo de los extremfilos: las

bacterias metangenas que viven en ausencia de oxgeno.

Construccin del digestor de materia orgnica


1. Materiales

botella plstica de dos litros de capacidad, con tapa manguera de goma pinza o llave para cerrar la manguera tapn agujereado por donde atravesar la manguera de goma o un tubo de vidrio

al que se unir la manguera de goma mechero caja de cartn, de madera lmpara de 60-75 watt que proveer de calor al sistema estircol de caballo, de vaca o de aves y restos vegetales agua hervida (sin cloro) agua de cal (se utiliza para comprobar la presencia de dixido de carbono).

2. Armado del digestor

colocar los restos orgnicos dentro de la botella hasta la mitad de su capacidad; llenar la botella con agua hasta cubrir la materia orgnica (y un poco ms); cerrar la botella con el tapn que ya tiene atravesada la manguera o el tubo de

vidrio; adems de poner el tapn se puede sellar la botella con una resina o con la

misma tapa a rosca de la botella (que debe estar perforada para que entre el tapn) para evitar la fuga de gas o que el tapn se libere (ya que puede ser despedido por la presin que ejerce el gas que se acumula en la botella);

unir la manguera al mechero y cerrarla con la pinza; colocar la botella dentro de la caja junto con la lmpara que debe permanecer

encendida todo el tiempo para mantener la temperatura a 40oC aproximadamente.

3. Desarrollo

Al cabo de 7 - 10 das, aproximadamente, el lquido de la botella tendr burbujas. al tocar la manguera que la cierra, es posible comprobar que la presin es diferente a ambos lados de la llave.

Colocar el extremo de la manguera dentro de un recipiente con agua de cal. Abrir la manguera para dejar salir el gas acumulado en la botella. Si el agua se pone turbia indica que la manguera despidi dixido de carbono que se produjo en la botella. Estrangular la botella para sacar la mayor cantidad posible de dixido de carbono.

Volver a cerrar la llave de la manguera. A partir de este momento, habiendo poco oxgeno en la botella (consumido en

una primera etapa por la respiracin de algunos microbios) se intensifica la produccin de gas metano por otro tipo de bacterias que no necesitan oxgeno. La produccin de biogs (metano) lleva varios das y, a medida que se produce, la botella estrangulada se hincha.


Para comprobar la produccin de biogs abrir la llave de la manguera y prender el mechero.

Aclaracin: hay que tener en cuenta que se trabaja con microorganismos que,

como otros seres vivos, necesitan condiciones adecuadas para cumplir con sus

actividades. Puede ocurrir que haya fluctuaciones en las condiciones de la

experiencia y que la produccin de biogs sea escasa. En ese caso, se debe

probar nuevamente hasta que se encuentren las condiciones adecuadas.

Preguntas para el anlisis de la experiencia a) Cul es el significado del trmino bioenerga? b) Cmo se denomina al tipo de bacteria responsable de la produccin de

metano? Respuesta: metangenas. Esta pregunta se relaciona con la nota analizada en la pregunta anterior.

c) Por qu ser necesaria una temperatura de 40oC para lograr la produccin de biogs?

d) Se obtendran los mismos resultados si se realizara esta experiencia a 0C o a 100C? Por qu?

e) A qu se debe la aparicin de burbujas en el lquido y la presin que se siente en la manguera a los 7-10 das de la experiencia?

f) Por qu se debe eliminar del digestor el dixido de carbono que se genera en la primera etapa?

g) Cul es la ventaja de la utilizacin del biogs como fuente de energa?


PRACTICA 5. PRODUCCIN DE ETANOL A PARTIR DE COMPUESTOS

LIGNOCELULSICOS.

OBJETIVOS

General:

Se evaluar la capacidad de la levadura Saccharomyces cerevisiae de

producir etanol a partir de diferentes compuestos.

Especficos:

Preparar diferentes medios de cultivo variando la fuente de carbono para el

crecimiento de la levadura S. cerevisiae en un sistema de lote.

Monitorear la cintica de crecimiento de la levadura S. cerevisiae y la

produccin de etanol en los diferentes medios preparados.

Comparar los rendimientos obtenidos en cada ensayo

INTRODUCCIN

La creciente demanda energtica por parte de la poblacin mundial ha alcanzado

niveles que no pueden ser mantenidos con las actuales reservas de combustibles

fsiles. De acuerdo al informe de Fatih Birol, economista jefe de la Agencia

Internacional de la Energa (AIE), durante el World Energy Outlook 2007 (WEO

2007), [] La demanda energtica mundial se incrementar en un 55%, con los

combustibles fsiles cubriendo el 84% de dicho aumento [...], lo cual [...] se

traducir para el 2030 en un aumento del 57% de las emisiones de CO2. Ante

esto, la bsqueda de fuentes alternativas de energa ambientalmente sostenibles y

econmicamente rentables ha pasado ser el eje central de diversas

investigaciones. La CONAE ha realizado estudios en los cuales describe la

situacin actual de las diversas fuentes de energa alternas, que se resumen en la

tabla 1.1:


Tabla 1.1. Fuentes alternas de Energa (CONAE, 2005)

Por su impacto mundial la CONAE ubica a las energas elica, de biomasa y

geotrmica como las ms prometedoras. De estas, la energa proveniente de

biomasa tiene como principal inconveniente su alto costo.

Los autotransportes cubren gran parte del consumo de energticos derivados del

petrleo. Los alcoholes han sido utilizados como combustibles a partir de la crisis

del petrleo en los 70s, por lo que diversos pases implementaron programas

para el desarrollo de nuevos combustibles a partir de materias primas econmicas,

accesibles y renovables. As, desde 1980 el etanol es usado como un combustible

alterno en diferentes pases. Existen tres mtodos principales para la produccin

de etanol (Morrison & Boyd, 1983). Estos son: (a) hidratacin de alcanos

provenientes del cracking del petrleo; (b) hidrlisis quimica de compuestos

celulsicos ya sea en medios cidos o bsicos; y (c) Fermentacin de

carbohidratos. Estos mtodos pueden clasificarse en sintticos /qumicos (a, b) y

biolgicos (b, c), siendo este ltimo grupo el que reporta menor impacto ambiental.

De esta forma, al etanol producido por estas vas se le conoce como bioetanol.


La transformacin de azucares a etanol mediada por microorganismos ha

sido ampliamente estudiada, se lleva a cabo principalmente por levaduras y

bacterias acido-lcticas. Microorganismos como Saccharomyces cerevisiae,

Zymomonas mobilis y Escherichia coli han sido utilizados como modelos para

estos anlisis, siendo la primera la levadura mas usada. El siguiente esquema

muestra de forma general la asimilacin de azucares y su transformacin a etanol

(fermentacin alcohlica):

Figura 1.1 Mapa metablico general para la produccin de etanol. (a)

Ciclo de las pentosas fosfato; (b) Glucolisis; (c) Ciclo Entner-Doudoroff

(Zaldivar, 2001)

Como se aprecia en el esquema, la fermentacin de azucares simples es proceso

relativamente sencillo, siendo glucosa, xilosa, manosa, arabinosa y galactosa los

azucares asimilados ms fcilmente por las clulas. Las levaduras poseen una

maquinaria metablica capaz de asimilar azucares complejos como dmeros

(galactosa, sacarosa) o polmeros (celulosa, celobiosa, almidn), mediante la

sntesis de enzimas llamadas celulasas.


Dentro de las diversas formas de biomasa, la biomasa lignocelulosica es

considerada una excelente fuente de energa (y de carbono) debido a su gran

disponibilidad y bajo costo. En Mxico, la industria azucarera genera alrededor de

6.5 km de toneladas mtricas de bagazo de caa, compuesto lignocelulsico

considerado subproducto del proceso y utilizado comnmente como combustible

en los ingenios azucareros. Comparando el rendimiento energtico del bagazo de

caa contra el de etanol producido a partir del mismo as como el impacto

ambiental originado por la combustin de estos compuestos, el etanol resulta ms

conveniente.

En una fermentacin alcohlica, es posible obtener tericamente 51.4 g de

etanol a partir de 100 g de glucosa1 (Demirba, 2005), algunos estudios reportan

rendimientos porcentuales en base al terico desde 10.6% (Tantirungkij et al.,

1993) hasta 102% (Ohta et al.,1991). Sin embargo, han sido pocos los estudios

realizados utilizando fuentes de carbono complejas y organismos diferentes a S.

cerevisiae, Z. mobilis o E. coli.

La produccin de etanol se da bajo condiciones de anaerobiosis dentro de

un cultivo, aunque se ha comprobado la produccin del alcohol en condiciones

aerobias muy especificas.

MATERIALES Y METODOS

Se conseguir una cepa de S. cerevisiae comercial o de resiembra. Esta ser

activada en medio complejo PDA. Se prepararn 100 mL de medio PDA y se

vaciaran las cajas (5). Sembrar la levadura por tcnica de estra cruzada, a fin de

obtener colonias aisladas y asegurar la axena de los experimentos. Incubar a

30C hasta el inicio de las fermentaciones.

Para la produccin de etanol, se probaran diferentes sustratos. Como base, se

usar glucosa, que servir como referencia, y bagazo de caa. Se podrn elegir

disacridos y polisacridos dependiendo de la disponibilidad de los mismos:

1 Cuando se trata de compuestos lignocelululsicos, se consideran los equivalentes de glucosa de acuerdo al

nmero de monmeros contenidos en el polmero.


xilosa, lactosa, sacarosa, etc. La composicin del medio de cultivo en g/L es: 20

fuente de carbono, 2 (NH4)2SO4, 0.4 MgSO4 7H2O, 5 KH2PO4, 1 extracto de

levadura.

La produccin ser por duplicado para cada fuente de carbono en matraces de

500 mL, cada uno con 250 mL de medio. Esterilizar en autoclave a 121C por 15

min. En condiciones estriles, inocular los matraces con al menos 3 colonias de la

levadura previamente reactivada e incubar a 30C y 150 rpm durante una semana.

Diariamente tomar al menos 3 muestras para evaluar el estado del cultivo.

Se determinar el crecimiento celular por absorbancia a 620 nm, usando como

blanco agua. El etanol producido ser cuantificado por tcnica de microdifusin..

El ensayo se realizara en dos tubos colocados uno dentro del otro. En el

compartimiento exterior (tubo ancho) se colocar 0.5 ml de solucin saturada de

carbonato de potasio que causar que el alcohol sea menos soluble en la solucin

acuosa. Por otro lado se prepara el compartimiento interior (tubo angosto) que

contendr 1.0 ml de solucin de dicromato de potasio 0.145 % en cido sulfrico

10 N y se coloca dentro del tubo ancho con la ayuda de una pinza; en presencia

de esta solucin el etanol es oxidado a cido actico y el Cromo pasa a Cr3+

cambiando su color de amarillo anaranjado a transparente. Una vez preparado el

dispositivo se agrega al compartimiento exterior 0.1 ml de solucin standard o

muestra y se tapa con un tapn de goma. Se incuba 60 min a 45C, se saca el

tubo angosto y se le agrega 0.5 ml de agua destilada y se mide la absorbancia a

450 nm.

Reportar el rendimiento de produccin de etanol para cada una de las fuentes de

carbono y elaborar un anlisis de resultados detallado, en el que se comparen los

resultados obtenidos y las conclusiones respectivas.

CUESTIONARIO

1. Cul es la importancia de obtener etanol a partir de compuestos

lignocelulsicos?


2. En qu consiste la tcnica de microdifusion de Conway?

3. Describa el proceso de fermentacin alcohlica y mencione por que no se

requiere oxigeno para este ensayo.

4. Qu desventaja tiene la produccin de alcoholes a partir de biomasa

lignocelulosica? Cmo se puede resolver este problema?

5. Investigue los rendimientos reportados en la produccin de etanol a partir de

distintos sustratos como los usados en esta prctica.

REFERENCIAS

- Gong, C.; Chen, L; Flickinger, M; et al. 1981. Production of Ethanol from D-Xylose by Using D-Xylose Isomerase and Yeasts. Applied and Environmental Microbiology. 14 (2): 430-436.

- Alterthumb, F and Ingram, L. 1989. Efficient Ethanol Production from Glucose, Lactose, and Xylose by Recombinant Escherichia coli. Applied and Environmental Microbiology. 55 (8): 1943-1948.

- Himmel, M. and Sheehan, J. 1999. Improved Cellulases for Bioethanol Production. Biotechnology Center for Fuels and Chemicals.

- P. Escalante-Minakata 1 , H.P. Blaschek 2 , A.P. Barba de la Rosa 1 , L. Santos 1 and A. De Len-Rodrguez 1. Identification of yeast and bacteria involved in the mezcal fermentation of Agave salmiana. Letters in Applied Microbiology. Volume 46 Issue, Pages 626 - 630

- Ostergaard, S., Olsson, L., Nielsen, J. Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae. Microbiol. MolBiol. Rev. 64 (2000) 34-50.

- Walker, G.M. Yeast Physiology and Biotechnology. John Wiley and Sons, Chichester, 1997.

- Demirba, A. 2005. Bioethanol from Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass. Energy Sources, 21:327-337.

- Zaldivar, J.; Nielssen, J.; and Olsson, L. 2001. Fuel ethanol production from lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process integration. Appl Microbiol Biotechnol. 56:1734.

- Sun, Y.; Cheng, J. 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technology. 83 : 111.


Prctica 6. DETERMINACIN DEL KLA POR EL MTODO DEL SULFITO

OBJETIVO GENERAL: Conocer y entender los principios bsicos del coeficiente

de transferencia de oxgeno (Kla) en los cultivos aerobios en suspensin.

OBJETIVOS ESPECFICOS:

Analizar el mtodo para determinacin del Kla por el mtodo del sulfito.

Analizar y discutir los mtodos indirectos y directos que se utilizan en la determinacin del Kla.

Estimar el Kla por el mtodo del sulfito.

I. INTRODUCCIN

La concentracin de oxgeno disuelto en una suspensin de microorganismos

aerbicos depende de diferentes factores:

Velocidad de transferencia de oxgeno de la fase gaseosa al lquido.

Velocidad a la cual el oxgeno es transportado a las clulas (donde este es consumido).

La concentracin de oxgeno utilizado por los microorganismos para el crecimiento, mantenimiento y produccin.

Los biorreactores de tanque agitado y las columnas burbujeadas son los

biorreactores ms utilizados en bioprocesos.

Los biorreactores agitados mecnicamente presentan altos valores de transferencia de masa y energa, as como excelente mezclado.

Velocidad de agitacin Tipo y nmero de agitadores


Flujo de gas

Las columnas burbujeadas y airlift presentan bajos esfuerzos de corte lo cual es importante para aqullos cultivos sensibles a los esfuerzos de corte (clulas filamentosas).

La transferencia de materia gas-lquido en un bioproceso est fuertemente

influenciada por las condiciones hidrodinmicas del biorreactor que principalmente

dependen de la disipacin de la energa:

Condiciones de operacin Propiedades fisicoqumicas del cultivo Parmetros geomtricos del biorreactor Presencia de oxgeno consumido por las clulas


La transferencia de oxgeno frecuentemente es el paso limitante en los

bioprocesos aerbicos debido a su baja solubilidad en el medio de cultivo.


Las correctas mediciones y/o predicciones del coeficiente volumtrico de

transferencia de masa (kla) es un paso crucial en el diseo, operacin y

escalamiento de biorreactores.

La concentracin de saturacin de oxgeno se sita en las condiciones normales

de cultivo alrededor de 10 mg/L, concentracin de todo insuficiente para abastecer

un proceso aerobio.

La ecuacin bsica para describir el transporte entre fases considera que la

densidad de flujo de propiedad (en este caso transporte de oxgeno) es

proporcional al gradiente de concentraciones quedando definido un coeficiente

individual de transferencia de materia entre fases kL segn:

NO2=KL (CL-Ci)

NO2=Densidad de flujo de oxgeno entre fases, moles/s m2.

CL=Concentracin de oxgeno en la fase lquida.

Ci=Concentracin de oxgeno en la interfase.

Si se utiliza el coeficiente global KL y se expresa la velocidad de transferencia de

oxgeno por unidad de volumen de reactor NO2 la ecuacin se transforma en:

NO2=kLa (CL-C*)

C*= Concentracin de oxgeno en la fase lquida correspondiente a la saturacin.

a= Relacin rea interfacial/Vlumen de reactor (m2 de interfase/m3 reactor)


En cuanto al consumo del oxgeno por parte de la biomasa se define la velocidad

especfica de consumo de oxgeno QO2, como el oxgeno consumido por unidad

de biomasa y de tiempo.

En un cultivo en estado estacionario han de igualarse las velocidades de consumo

y transferencia, por tanto:

NO2=QO2 .X

X=Concentracin celular

La velocidad de consumo puede expresarse en funcin de la velocidad especfica

de crecimiento: Mx y del rendimiento biomasa/oxgeno, Y X/O de forma que:

Kla (CL-C*)=Mx . X/Yx/o

Esta ecuacin relaciona la capacidad de transferencia del reactor (Kla) con las

velocidades especficas de crecimiento que se pueden alcanzar en su interior.

La determinacin del coeficiente ser pues esencial para establecer la eficiencia

de aireacin y cuantificar los efectos que las variables de operacin tienen sobre el

transporte de oxgeno.

MTODOS INDIRECTOS PARA LA DETERMINACIN DEL KLA

La determinacin del coeficiente en las condiciones reales de operacin del

biorreactor, que contiene el medio de cultivo, la poblacin celular etc., implica una

serie de requerimientos experimentales (preparacin de medios, inoculacin,

prevencin de la contaminacin, control del proceso a nivel celular etc) que


pueden obviarse si se trabaja con un sistema sinttico libre de clulas, que

reproduzca lo ms fielmente posible el sistema real.

El objetivo del mtodo indirecto es encontrar el valor del coeficiente de transferencia y su dependencia de las condiciones hidrodinmicas en el biorreactor, utilizando un sistema que tenga las mismas propiedades reolgicas que el sistema real, las mismas tendencias en la formacin de interfases y los mismos valores para la difusividad y solubilidad del oxgeno.

La fiabilidad del valor del coeficiente depender de en qu medida se haya conseguido esta similitud. Estos mtodos utilizan la ecuacin del balance sin el trmino del consumo.

dC/dt=Kla (C*-C)

As se puede establecer la capacidad de un biorreactor para la absorcin de

oxgeno, haciendo burbujear aire a travs de una solucin a la que previamente se

le ha eliminado el oxgeno por desplazamiento de nitrgeno como se esquematiza

en la siguiente figura.


MTODO DE SULFITO PARA LA DETERMINACIN DE KLA

Este mtodo est basado sobre la reaccin del sulfito de sodio, un agente

reductor, con el oxgeno disuelto para producir sulfato en la presencia de un

catalizador (usualmente un catin divalente de Cu++op Co++, la ecuacin puede

ser expresada de la siguiente manera:


II. MATERIAL Y REACTIVOS

Soluciones:

1. Solucin de Na2SO3 0.03 M Considerando una pureza del 98.3%, adicionar

3.78 g de Na2SO3 a un litro de agua destilada.

2. Solucin de catalizador, CoSO4 La concentracin final de catalizador tiene que

ser de 2.5 x 10-4 mol Co++/L. Para esto se debe preparar una solucin stock de

CoSO4. Adicionar 0.736 g CoSO4 en 100 mL. Adicionar 5 mL de la solucin stock

a 1 L de reactor. Esta solucin se puede guardar.

3. Solucin de yodo (preparar justo antes de realizar la determinacin de sulfito)

En 50 mL de agua destilada adicionar 0.9 g de KIO3, 0.5 g de KI y 1.5 mL de

H2SO4. Agitar vigorosamente y dejar sedimentar. Evitar tomar residuos de las

sales formadas.

4. Solucin de Na2S2O3-5H2O 0.02 M En 500 mL de agua destilada disolver 2.48

g de Na2S2O3-5H2O (4.96 g/L). 5. Solucin de almidn 1% Adicionar 1 g de

almidn de papa a 100 mL de agua destilada, hervir por 2 minutos y dejar enfriar.

Preparar justo antes de realizar la determinacin de sulfito.

EQUIPO


- Agitadora orbital

- Bureta

- Soporte Universal

III. METODOLOGIA

1. Una vez que los matraces contengan la solucin de sulfito (50 y 100 mL segn

corresponda en cada uno), se inicia la agitacin/aireacin a 100 rpm y a 200 rpm.

Se permite la saturacin. Detener la agitacin/aireacin, y tomar una muestra de 1

ml.

2. Mezclar la muestra inmediatamente con 0.2 mL de solucin de yodo. La

reaccin de oxidacin de sulfito se detiene.

3. Titular la muestra con la solucin de tiosulfato de sodio hasta que el lquido se

torne amarillo claro. Aadir 1 mL de una solucin de almidn (la solucin se

tornar azul oscuro). Continuar la titulacin hasta que la solucin quede incolora.

4. Registrar los mililitros de tiosulfato utilizados y hacer los clculos

correspondientes para determinar la concentracin de sulfito remanente.

IV. RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Discuta los resultados obtenidos:

Obtencin del kla por el mtodo del sulfito. Estime el kla por este mtodo Dibuje el diagrama para obtencin del kla por este mtodo Explique el fundamento de la tcnica


V. REFERENCIAS

Cooper C.M., Fermstrom G.A., Millar S.A. 1944. Performance of agitated gas-liquid

contactors. Industrial and Engineering Chemistry. 36:504-509.


Kensy F., Zimmermann H.F., Knabben I., Anderlei T., Trauthwein H., Dingerdissen

U., Bchs Jochen. 2005. Oxygen transfer phenomena in 48-well microtiter plates:

determination by optical monitoring of sulfite oxidation and verification by real-time

measurement during microbial growth. Biotechnology and Bioengineering. 89: 698-

708.

Zhao S, Kuttuva SG, Ju LK. 1999. Oxygen transfer characteristics of multiple-

phase dispersions simulating water-in-oil xanthan fermentations. Bioprocess

Engineering. 20: 313-323.