FERMENTACIÓN EN MEDIO SÓLIDO

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ALGUNOS ASPECTOS RELEVANTES DE LA FERMENTACIÓN EN MEDIO SÓLIDO SERGIO ESPINOSA

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ANTECEDENTES DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA FENÓMENOS DE TRANSPORTE MODELAMIENTO MATEMÁTICO MONITOREO & CONTROL APLICACIONES ESTUDIOS CINÉTICOS

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ANTECEDENTES La fermentación en medio sólido (SSF) ha sido utilizada durante cientos de años, en la preparación de alimentos tradicionales

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ANTECEDENTES La fermentación en medio sólido (SSF) ha sido utilizada durante cientos de años, en la preparación de alimentos tradicionales

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ANTECEDENTES La fermentación en medio sólido (SSF) ha sido utilizada durante cientos de años, en la preparación de alimentos tradicionales

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Además de las mencionadas, en la actualidad: APLICACIONES -Producción de enzimas pectolíticas (pectinasas)

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Además de las mencionadas, en la actualidad: APLICACIONES - Obtención de productos de valor agregado a partir de desechos agroindustriales SSF

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Además de las mencionadas, en la actualidad: APLICACIONES - Reducción de emisiones contaminantes: BIOFILTRACIÓN SSF

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Además de las mencionadas, en la actualidad: APLICACIONES - Tratamiento de desechos sólidos orgánicos

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Además de las mencionadas, en la actualidad: APLICACIONES - Tratamiento de desechos sólidos orgánicos SSF

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Además de las mencionadas, en la actualidad: APLICACIONES - BIORREMEDIACIÓN DE CONTAMINANTES ORGÁNICOS EN SUELOS

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Además de las mencionadas, en la actualidad: APLICACIONES - BIORREMEDIACIÓN DE CONTAMINANTES ORGÁNICOS EN SUELOS SSF

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Además de las mencionadas, en la actualidad: APLICACIONES - BIORREMEDIACIÓN DE CONTAMINANTES ORGÁNICOS EN SUELOS SSF

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA SSF

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA TODAS ESTÁN EXPLICADAS POR EL MISMO MODELO FÍSICO

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO SISTEMA MULTIFÁSICO HETEROGÉNEO Fase sólida Fase líquida Fase gaseosa

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO SISTEMA MULTIFÁSICO HETEROGÉNEO Fase sólida SOPORTE DE BIOMASA, NUTRIENTES y SUSTRATOS Fase sólida

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO SISTEMA MULTIFÁSICO HETEROGÉNEO Fase líquida NECESARIA PARA RX METABÓLICAS & ACTIVIDADES ENZIMÁTICAS

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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO SISTEMA MULTIFÁSICO HETEROGÉNEO Fase gaseosa Fase gaseosa

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SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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¿HAY O NO INHIBICIÓN? (POR SUSTRATOS O PRODUCTOS) SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO Considerar la tasa de oxígeno alimentada al sistema Su solubilidad en la fase acuosa es muy baja

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Consideración de homogeneidad del agente biológico: -Modelos segregados -Modelos no segregados SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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Consideración de estructura del agente biológico: -Modelos estructurados -Modelos no estructurados SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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Es un proceso batch SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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Respecto a la cinética de consumo: -Organismo en estrés (monoauxia) -Organismo no en estrés (diauxia) SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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¿Hay limitación de sustratos? ¿Cual es el sustrato limitante? SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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Todos estos supuestos definen la funcionalidad: SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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Consideración de dimensiones en microescala: DiamX vs DiamPORO Definir la ubicación física del agente biológico SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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De las relaciones fisico-químicas entre las especies SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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¿La difusividad efectiva esta en función de que? -Tortuosidad (suelo) -Porosidad (suelo) -Difusividad efectiva de sustrato(s) en agua... ETC SUPUESTOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MODELO FÍSICO

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE CALOR MOMENTUM MASA

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE MOMENTUM

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE MASA BIODISPONIBILIDAD BIODISPONIBILIDAD

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE MASA BIODISPONIBILIDAD BIODISPONIBILIDAD

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE MASA BIODISPONIBILIDAD BIODISPONIBILIDAD

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE MASA BIODISPONIBILIDAD BIODISPONIBILIDAD

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RGLOBAL BIODISPONIBILIDAD FENÓMENOS DE TRANSPORTE MASA BIODISPONIBILIDAD

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BIODISPONIBILIDAD FENÓMENOS DE TRANSPORTE MASA RGLOBAL

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BIODISPONIBILIDAD FENÓMENOS DE TRANSPORTE MASA RGLOBAL

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE MASA Ocasionan cambios en el sistema: -Variación de pH -¿Inhibición?

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE CALOR

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE CALOR

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE CALOR

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MODELAMIENTO MATEMÁTICO CALOR MOMENTUM MASA

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El modelo matemático se estructura sobre todos los supuestos y sobre los balances dinámicos de las especies involucradas: -SUSTRATOS BIOMASA PRODUCTOS DE BIORREACCIÓN MODELAMIENTO MATEMÁTICO MASA

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BALANCES DE SUSTRATOS & PRODUCTOS MODELAMIENTO MATEMÁTICO MASA -EN LA FÁSE SÓLIDA DEL SISTEMA, estos balances implican modelos dinámicos tiempo-espaciales; por ejemplo:

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BALANCES DE SUSTRATOS & PRODUCTOS MODELAMIENTO MATEMÁTICO MASA -EN LA FÁSE SÓLIDA DEL SISTEMA, estos balances implican modelos dinámicos tiempo-espaciales; por ejemplo: -EN LA FÁSE LÍQUIDA DEL SISTEMA, estos balances implican modelos dinámicos temporales únicamente; por ejemplo:

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BALANCES DE ENERGÍA DEL SISTEMA MODELAMIENTO MATEMÁTICO CALOR

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ESTUDIOS CINÉTICOS Un estudio cinético del fenómeno que se trate, implica determinar los parámetros cinéticos el sistema, Mediante la resolución de los balances de masa y energía (modelo matemático); por ejemplo

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ESTUDIOS CINÉTICOS Un estudio cinético del fenómeno que se trate, implica determinar los parámetros cinéticos el sistema, Mediante la resolución de los balances de masa y energía (modelo matemático); por ejemplo

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ESTUDIOS CINÉTICOS Un estudio cinético del fenómeno que se trate, implica determinar los parámetros cinéticos el sistema, Mediante la resolución de los balances de masa y energía (modelo matemático); por ejemplo Proyecto particular, se buscará conocer estas

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ESTUDIOS CINÉTICOS Un estudio cinético del fenómeno que se trate, implica determinar los parámetros cinéticos el sistema, Mediante la resolución de los balances de masa y energía (modelo matemático); por ejemplo Es necesario conocer el cambio temporal de las especies

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ESTUDIOS CINÉTICOS Un estudio cinético del fenómeno que se trate, implica determinar los parámetros cinéticos el sistema, Mediante la resolución de los balances de masa y energía (modelo matemático); por ejemplo

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MONITOREO & CONTROL Los parámetros principales a controlar son: Temperatura Aireación pH contenido de agua El monitoreo de variables ambientales y especies resulta complicada debido a la complejidad del sistema

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MONITOREO & CONTROL SENSORES: SISTEMA Transductor Señal eléctrica

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MONITOREO & CONTROL SENSORES: SISTEMA Señal eléctrica Establece una corriente de fondo, que es capaz de ser modificada mediante cambios fisico-químicos del sistema Transductor

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MONITOREO & CONTROL SENSORES: SISTEMA Señal eléctrica Output del transductor Transductor

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MONITOREO & CONTROL SENSORES: SISTEMA Señal eléctrica ON LINE: No se desvía el producto a analizar OFF LINE: Se requiere muestreo Transductor

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MONITOREO & CONTROL SENSORES: SISTEMA Señal eléctrica Transductor Este tipo de dispositivos están ampliamente desarrollados para fermentaciones en medio líquido, no así en medio sólido, pues se trata de sistemas trifásicos

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA TEMPERATURA Termopar Una diferencia de temperatura entre las caras produce una fuerza (energía de entrada al transductor)

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA TEMPERATURA Termopar Termoresistencia La diferencia en la resistencia de un conductor es función de la temperatura

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA TEMPERATURA Termopar Termoresistencia La diferencia en la resistencia de un conductor es función de la temperatura

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA TEMPERATURA Termopar Termoresistencia Usualmente se insertan a varias disancias radiales del centro del sistema

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA TEMPERATURA Termopar Termoresistencia Y envían la señal a un sistema de captura

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MONITOREO & CONTROL PARA TEMPERATURA Evaporación Agitación Humedad de aire alimentado

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MONITOREO & CONTROL PARA TEMPERATURA Evaporación Agitación Humedad de aire alimentado

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA CONTENIDO DE AGUA Medida usualmente OFF LINE Gravimetría

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA ACTIVIDAD ACUOSA OFF LINE Sensores ON LINE Detector de capacitancia ¿? El elemento transductor absorbe vapor de agua en equilibrio en el sistema, generando la señal

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA ACTIVIDAD ACUOSA OFF LINE Sensores ON LINE Detector de capacitancia ¿? El elemento transductor absorbe el vapor de agua en equilibrio en el sistema, generando la señal

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA pH OFF LINE NO existen ELECTRÓDOS de pH, por la ausencia de agua libre Se utilizan detectores POTENCIOMÉTRICOS Pero la técnica estándar es suspender una muestra y utilizar un electródo de pH

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) En procesos aerobios: Por lo tanto, es posible estimar la concentración de biomasa si se conocen las tasas rO2 y rCO2 Técnicas de estimación indirecta:

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA COMPRESOR El caudal de aire es crítico en este tipo de análisis Detector

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA COMPRESOR Se requiere entonces un dispositivo de control a la salida del sistema Detector

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA COMPRESOR -Rotámetro Detector

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA COMPRESOR -Flujómetro másico-térmico Detector

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA COMPRESOR -Anemómetro Detector

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA COMPRESOR -Según los dispositivos & equipo utilizado, el O2 y CO2 pueden ser monitoreados seprados o juntos Detector

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA CONSUMO DE OXÍGENO Dada su baja solubilidad en la fase acuosa, se puede cuantificar directo de la fase gaseosa del sistema, en el head space, con un analizador paramagnético

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA CONSUMO DE OXÍGENO PERO, si se cuantifica de la fase líquida, se utiliza un sensor amperométrico

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA PRODUCCIÓN DE CO2 La espectrometría I.R. es lo mas utilizado para lograr este fin Se puede utilizar para: -Estimar el crecimiento microbiano -Validar modelos de difusión gaseosa -Monitorear procesos fermentativos

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA PRODUCCIÓN DE CO2 La espectrometría I.R. es lo mas utilizado para lograr este fin

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: RESPIROMETRÍA PRODUCCIÓN DE CO2 PERO: También se puede cuantificar mediante titulación de una muestra “atrapada”

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) En procesos fúngicos: Es posible estimar la biomasa por la caída de presión registrada en el sistema, ocasionada por el crecimiento del micelio Técnicas de estimación indirecta:

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) Técnicas de estimación indirecta: EN CUALQUIER CASO, SE DEBE CORRELACIONAR LOS DATOS CON MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA (OFF LINE)

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MONITOREO & CONTROL SENSORES DISPONIBLES: PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) EN CUALQUIER CASO, SE DEBE CORRELACIONAR LOS DATOS CON MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA (OFF LINE) DESTRUCTIVAS SE CUANTIFICA BIOMASA O ALGÚN CONSTITUYENTE ESTA INFORMACIÓN SE INCLUYE EN EL BALANCE

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MONITOREO & CONTROL PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA 1 SEPARACIÓN DE BIOMASA -Remoción de matríz -Conteo celular Digestión enzimática de un soporte + filtración + gravimetría ADAPTADO PARA FUNGI

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MONITOREO & CONTROL PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA 1 SEPARACIÓN DE BIOMASA -Remoción de matríz -Conteo celular Homogeneización +Filtración +Cámara de conteo ADAPTADO PARA LEVADURAS & ESPORAS

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MONITOREO & CONTROL PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA 2 CUANTIFICACIÓN DE COMPONENTES DE BIOMASA -Proteína Hidrólisis ácida + Método de Lowry (Para proteína) Hidrólisis ácida + Método de Kjeldhal (Para Nitrógeno total) -APLICA PARA CUALQUIER M.O. -INTERFERENCIA CON SUSTRATOS RICOS EN PROTEÍNA

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MONITOREO & CONTROL PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA 2 CUANTIFICACIÓN DE COMPONENTES DE BIOMASA -Ac. Nucléicos Extracción de materíal nucléico + tratamiento enzimático + método colorímétrico de difenil-amina -APLICA PARA CUALQUIER M.O. -INTERFERENCIA CON SUSTRATOS RICOS EN AC. NUCLÉICOS

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MONITOREO & CONTROL PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA 2 CUANTIFICACIÓN DE COMPONENTES DE BIOMASA -Quitina Hidrólisis ácida de la quitina + determinación de glucosamina por colorimetría -SÓLO APLICA A FUNGI -[Quitina]=f(Edad) -INTERFERENCIA GLUCOSAMINA EN SUSTRATOS

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MONITOREO & CONTROL PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA 2 CUANTIFICACIÓN DE COMPONENTES DE BIOMASA -Ergosterol Extracción + GC/Espectro UV -SÓLO APLICA A FUNGI -BUENA CORRELACIÓN CON CONTENIDO DE MATERIA SECA & DE QUITINA

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MONITOREO & CONTROL PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA 3 ACTIVIDAD BIOLÓGICA -MICROCALORIMETRÍA Determinación de calor metabólico -CARACTERIZA UNA FASE TRANSIENTE DURANTE EL CRECIMIENTO APICAL (APLICACIÓN LIMITADA) -¿APLICA EN CUALES M.O.?

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MONITOREO & CONTROL PARA VARIABLES ORGÁNICAS (CARBONO) MEDICIONES DIRECTAS DE BIOMASA 3 ACTIVIDAD BIOLÓGICA -ACTIVIDAD ENZIMÁTICA (para un tipo de lacasa lipo-lítica) Ensayo de actividad enzimática en la fracción líquida adsorbida a la matriz sólida -SOLO APLICA A ENZIMAS EXTRACELULARES -NO SIEMPRE SE LE PUEDE RELACIONAR CON CRECIMIENTO

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FUENTES -  Some engineering aspects of solid-state fermentation K.S. Raghavarao, T.V. Ranganathan, N.G. Karanth -  Sensors and measurements in solid state fermentation: a review Veronique Bellon-Maurel , Olivier Orliac , Pierre Christen