Simulación de modelos de crecimiento diáuxico

Resumen

Esta actividad se encuentra diseñada para que los estudiantes de programas de ingenierías enfocadas a las ciencias biológicas, químicas, bioquímicas o biotecnológicas puedan conocer los modelos cinéticos más utilizados para modelar el crecimiento de un microorganismo en dos fuentes de carbono distintas provocando así el crecimiento diáuxico característico de microorganismos en estas condiciones de cultivo.

Contexto

]La actividad se encuentra diseñada para estudiantes a nivel licenciatura con conocimientos previos de cinética biológica, bioquímica, algoritmos de solución numérica y ecuaciones diferenciales. La actividad considera que se realice de manera individual por lo que el tamaño de clase puede ser variable. Los estudiantes deberán tener conocimiento básico en el uso de la herramienta ODE45.

Objetivos de la Actividad

-Describir el fenómeno de la Diáuxia en términos de modelado matemático
-Reconocer los elementos del modelado que pueden generar el consumo diferencial de sustratos diferentes en una fermentación
-Establecer criterios de diseño de medio de cultivos y modos de operación de un biorreactor en términos de adición de sustratos bioquímicamente diferentes.

Materiales de Enseñanza

En esta actividad se recuperan los principios del modelado de un microorganismo que crece en glucosa y sacarosa para observar el efecto diáuxico del crecimiento, se revisan tres modelos distintos que generan comportamientos diáuxicos diferentes y que pueden presentarse en los procesos de fermentación. Se presenta un documento Livescript codificado en español y el mismo en PDF para su referencia.

Notas para los Educadores usando la Actividad

Para incluir en el ejercicio y la evaluación propuesta se propone que los estudiantes realicen lo siguiente:

• Realizar una revisión bibliográfica exhaustiva para encontrar parámetros cinéticos de microorganismos relacionados con la producción de Kombucha o la fermentación natural para la producción de bebidas alcohólicas o la producción de cultivos lácticos con más de una cepa, que permitan la interacción de cultivos mixtos.
• Proponer el modelo matemático del cultivo mixto asegurando el crecimiento en diáuxia.
• Establecer un balance de materiales para operar el sistema en lote alimentado con alimentación diferencial de sustratos (que causen inhibición).
• Evaluar el comportamiento del sistema a diferentes concentraciones de sustrato y tipo de sustrato para observar el retraso o aparición de los productos de fermentación.

Evaluación

La evaluación se puede verificar de manera integral cuando el estudiante logra:

• Ejecutar las simulaciones con un tercer sustrato y cambiando parámetros cinéticos obtenidos de literatura.
• Establece las condiciones ideales para lograr la producción adecuada de microorganismos objetivos en cultivos mixtos.
• Reconoce el proceso como un proceso común en la industria e interpreta sus resultados para hacer un pronóstico en procesos simulados.

Recursos adicionales

https://en.wikipedia.org/wiki/Diauxic_growth#:~:text=Diauxic%20growth%2C%20diauxie%20or%20diphasic,the%20target%20bacterium%20to%20metabolize.

https://www.nature.com/articles/srep25191

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC276614/

Esta actividad fue creada como parte del Taller con MATLAB Septiembre 2023.