Cultivos Continuos

Los **Cultivos Continuos** se definen por la adición constante de nutrientes frescos a un volumen de control que contiene las células.

• Se supone que el mezclado es **perfecto**.
• Se retiran producto y parte de las células.
• Cuando se alcanza un **estado estacionario**, las condiciones se mantienen constantes en todo punto.
• Provee un medio de cultivo constante para las células y para la formación de productos.

Comparación: Cultivo por Lotes vs. Cultivo Continuo

Limitaciones del Cultivo Continuo

• Equipo más **complejo**.
• Operación más compleja, requiere **controles rigurosos**.
• No se consume todo el sustrato.
• Mayor posibilidad de **contaminación**.

Aplicaciones

Producción de algunas **proteínas**, tratamientos de afluentes (con **MO inmovilizadas**), producción de **etanol**, producción de productos asociados al crecimiento.

Equipos Utilizados y Tipos de Reactor

Equipos Comunes

• **Tanque Continuo Perfectamente Agitado (TCPA)**
• Reactor de **Flujo Pistón** (L/f > 30)
• Fermentador de Columna (L/f = 10-20)
  • Tubo de tiraje (**Air lift**)
  • Columnas rellenas
  • Circulación (Fermentador loop)

Flujo Pistón Ideal (FPI)

En el FPI **no hay remezclado**. Los elementos de fluido con células activas no pueden inocular elementos del fluido aguas arriba. Se requiere un **reciclo de células** para la inoculación continua del medio fresco. Es equivalente a un cultivo por lotes (batch).

Modalidades de Operación

Estas son las formas en que los equipos pueden operar:

1. Quimiostato: El crecimiento de la biomasa suele estar controlado por un **nutriente esencial** (limitante), y el resto se agrega en exceso. Las condiciones químicas del medio son constantes.

   Tipos de Quimiostato

   • Simple 1 etapa (Velocidad de alimentación = Velocidad de descarga; Volumen constante)
   • Multietapa
   • Con recirculación de células
   • Con recirculación de líquido
   • Con retención de células

2. Turbidostato: La **concentración de células es constante**. La alimentación se regula mediante el monitoreo de la **densidad óptica** del cultivo. Se alimenta medio fresco cuando la turbidez supera el límite prefijado. El volumen es constante, retirando una cantidad de fluido equivalente a la que se agrega.

3. Otros Estatostatos: pHstato, O.Dstato.

Aspectos Clave del Quimiostato Simple

Dilución (D) de Operación

• Se suele pensar en D_max, pero no conviene (riesgo de **“lavado operacional”**).
• Rango operativo considerado: 0,85D_crit > D > 0,1D_crit.
• Control de F y V: A nivel laboratorio, se regulan las bombas de alimentación y descarga. El volumen se asegura mediante un rebalse.

Puesta en Marcha

1. Abrir alimentación de nutrientes, bombas e inocular. Esto puede producir un “lavado” si las células no crecen inmediatamente. (Método no recomendado).
2. Pasar primero por una etapa de **crecimiento por lote** (batch), asegurándose de que crezca exponencialmente, y después abrir el flujo de nutrientes. (Método recomendado).

Quimiostatos de Dos Etapas y Múltiples

• Se aprovecha la concentración de sustrato (S₁) que sobraba de la primera etapa.
• Permite la producción de metabolitos cuyas condiciones óptimas de producción se alejan de las condiciones óptimas de crecimiento.
• La primera etapa fomenta el **crecimiento de biomasa**, y la segunda etapa ajusta las condiciones para la **producción óptima**.
• Si se necesita un inductor, se puede agregar en la segunda etapa (F’).

Quimiostatos Múltiples en Cascada

Son utilizados para producir **metabolitos secundarios**, separando las etapas de crecimiento de biomasa y formación de producto, ya que las condiciones óptimas son diferentes.

Quimiostato con Reciclo

Permite la generación de biomasa **autocatalítica** (mayor concentración de biomasa, mayor velocidad de crecimiento). La velocidad aumenta con las células que salen. Incrementa la **productividad** y la **estabilidad** de algunos sistemas, ya que minimiza las perturbaciones.

Aireación y Transferencia de Oxígeno

Importancia del Oxígeno

• En fermentaciones **aeróbicas** es fundamental (O₂ es el último aceptor de electrones para generar ATP).
• El O₂ es un nutriente más y debe ser suministrado continuamente.
• Es un gas y es **muy poco soluble** (aproximadamente 7 mg/L a presión atmosférica).

El O₂ es un sustrato importante para las fermentaciones aeróbicas. Debido a su baja solubilidad, el oxígeno disuelto puede ser el **factor limitante de velocidad**.

Factores que Influyen en la Concentración de O₂

• La solubilidad del oxígeno en agua depende de la **presión**, la **temperatura** y las **sales disueltas** (aproximadamente 7 ppm a presión atmosférica).
• La **concentración crítica de oxígeno** es aquella por debajo de la cual comienza a controlar la velocidad de crecimiento.

Métodos de Transferencia de O₂

1. Transferencia a través de la superficie: Se requiere **agitación** para aumentar la superficie de contacto (común a nivel laboratorio). El V_LIQ suele ser 10-20% V_TOTAL.
2. Inyección de O₂ externa: Cuanto mayor es la altura del líquido (h_LIQ), mayor es la **eficiencia de aireación** (mayor tiempo de residencia de la burbuja en el líquido).
3. Inyección de aire comprimido: Se inyecta aire comprimido, agitado o no, para ayudar a la transferencia de O₂ desde la fase gaseosa a la líquida. Se usan **compresores**.

Sistemas de Transferencia de Calor (Control de Temperatura)

La dificultad en el control de temperatura aumenta en fermentaciones grandes, ya que la relación **Área/Volumen es baja**. En fermentaciones pequeñas, las pérdidas por pared suelen ser suficientes para mantener el sistema en balance de calor.

En cultivos por lotes, el calor generado (Q_F) aumenta con la biomasa, por lo que el sistema se calienta hacia el final de la fermentación.

Métodos de Enfriamiento

1. Chaqueta o Camisa

   • Útil para equipos de escala pequeña.
   • Área de intercambio baja. Equipo caro.

2. Serpentín

   Cañería enrollada en espiral al interior del fermentador. Muy utilizado y barato.

   • Ventaja: Barato y posee gran relación **Área/Volumen**.
   • Desventaja: Dificulta la limpieza del estanque. Se debe tener cuidado con los residuos que pueden formar costras, generando puntos de baja transferencia de calor (Q).

3. Lluvia Externa

   • Útil y barato, pero insuficiente para retirar la cantidad de calor que se genera.
   • Normalmente se usa en combinación (Lluvia externa + Serpentín).

4. Intercambiador Externo

   • Intercambiador de placas muy eficiente para la transferencia de calor (I de Q).
   • Problema: Posibilidad de **contaminación** (demasiados puntos de unión). Difícil de mantener estéril.
   • Caro.

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