Ecuación de crecimiento: Monod
La velocidad específica de crecimiento aumenta con el sustrato y se aproxima a un máximo cuando el medio deja de ser limitante.
Cinética microbiana con exploración interactiva de modelos de crecimiento y modos de cultivo
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Biomasa X (verde), sustrato S (naranja), producto P (azul) y velocidad específica μ.
Trayectoria del cultivo en el plano biomasa–sustrato.
Constante en lote y quimiostato; creciente en lote alimentado.
Explora de dónde vienen las ecuaciones del modelo: qué significa μ, cómo se construye un balance de masa para un biorreactor y qué representa cada término en los balances de biomasa, sustrato, producto y volumen.
La velocidad específica de crecimiento aumenta con el sustrato y se aproxima a un máximo cuando el medio deja de ser limitante.
μ tiene unidades de h−1. El calificativo específica significa que está normalizada por la biomasa presente: el producto μ · X da la velocidad volumétrica real de producción de células (gXL · h). Si duplicas la biomasa con la misma μ, el cultivo crece el doble de rápido en conjunto, pero cada célula trabaja igual.
Monod captura la saturación cinética: a S bajo, μ ≈ μmaxKs · S y el crecimiento es casi proporcional a S; a S alto, μ → μmax y añadir más sustrato no acelera el crecimiento. Los modelos de Haldane e inhibición por producto extienden esta idea cuando el sustrato en exceso o el producto acumulado perjudican al microorganismo.
Todo modelo dinámico de un biorreactor parte de la conservación de masa aplicada a un volumen de control bien mezclado:
Acumulación es d(C · V)dt. Cuando V es constante se simplifica a dCdt. En lote alimentado V crece con el tiempo, por lo que expandir d(C · V)dt introduce un término proporcional a FV que actúa como dilución de la concentración, incluso sin efluente.
Entrada / Salida: en lote no hay flujos; en lote alimentado solo hay entrada estéril; en continuo entran y salen caudales iguales.
Generación: actividad biológica — crecimiento, consumo de sustrato y síntesis de metabolitos. La forma cinética de este término es lo que distingue cada modelo.
La tasa de dilución cuantifica qué fracción del volumen del reactor se renueva por unidad de tiempo:
Su interpretación y comportamiento difieren según el modo de cultivo:
Con alimentación estéril (sin células en la entrada), la generación es μX y el término de salida depende de si hay flujo y de si existe muerte celular:
El rendimiento biomasa–sustrato Yx/s (gXgS) indica cuánta biomasa se produce por gramo de sustrato consumido. La velocidad específica de consumo es:
El término de consumo en los balances es −μXYx/s. Un Yx/s alto indica menor costo metabólico de sustrato por gramo de biomasa producida.
La velocidad específica de formación de producto qp se modela con la expresión de Luedeking–Piret, que combina un término ligado al crecimiento y uno independiente:
El volumen V no juega el mismo papel en los tres modos de cultivo, y su evolución determina si aparece un término de dilución en los balances de concentración:
El sistema de ecuaciones diferenciales acopladas no tiene solución analítica cerrada cuando μ depende de S de forma no lineal. La app parte de las condiciones iniciales X0, S0 y P0 y avanza el sistema discretizado en pequeños pasos Δt.
En cada paso: (1) calcula μ a partir del S y P actuales, (2) evalúa simultáneamente dXdt, dSdt y dPdt, y (3) actualiza el estado del cultivo. El resultado es la trayectoria numérica X(t), S(t), P(t) — y V(t) en lote alimentado.
Cambiar un parámetro modifica la pendiente local del sistema en cada punto: por eso todas las curvas responden simultáneamente al mover un control.
El método de Euler usa una sola pendiente por intervalo: sencillo, pero el error se acumula en O(Δt2). Runge-Kutta de cuarto orden evalúa cuatro pendientes dentro del mismo intervalo y las combina con pesos óptimos:
El vector de estado y = [X, S, P] (más V en lote alimentado) avanza con error global de O(Δt4): cuatro órdenes de magnitud mejor que Euler por cada reducción a la mitad de Δt. Por eso se pueden usar pasos de Δt = 0.05 h sin que las curvas diverjan.