Ingeniería de Biorreactores I - PDF

U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Figura 3. Principales componentes de un biorreactor o fermentador. Tomado de: Lázaro, 2013. Cabe aclarar que no todos los fermentadores tienen los mismos...

U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Figura 3. Principales componentes de un biorreactor o fermentador. Tomado de: Lázaro, 2013. Cabe aclarar que no todos los fermentadores tienen los mismos componentes o la misma estructura, la cual estará definida de acuerdo al tipo de bioproceso que se llevará a cabo. Los criterios más importantes para el diseño de un biorreactor pueden resumirse del siguiente modo (Ruiz-Leza et al., 2007): Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 11 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Criterios para el diseño de un biorreactor El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días y así evitar la aparición de contaminantes en las operaciones de bioprocesos de larga duración. Debe permitir una mayor área de contacto entre las fases biótica y abiótica del sistema, es decir, se debe proporcionar un medio adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos. El consumo de energía debe ser el mínimo. Debe poseer entradas para la adición de nutrientes y el control de pH. El crecimiento microbiano es generalmente exotérmico, por lo que el biorreactor debe facilitar la transferencia de calor, del medio hacia las células y viceversa, a medida que se produce el crecimiento celular, además de mantener estable la temperatura deseada. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. Suministrar oxígeno a una velocidad que satisfaga el consumo del mismo por parte del microorganismo. El diseño del fermentador debe permitir mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente Además de los elementos físicos que componen un biorreactor, es necesario considerar el componente biológico de estos: los microorganismos. 1.1.2 Microorganismos y células en la industria Cotidianamente consumimos alimentos y bebidas como el pan, el queso, el vino, la cerveza, etc. que son el resultado de la utilización de biorreactores y de la actividad de microorganismos. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 12 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Microorganismo La palabra microorganismo proviene del griego, formada por “mikro” que significa pequeño, más la raíz “organon” que quiere decir órgano, herramienta o instrumento, y el sufijo “ismo” que significa actividad o sistema. Lo entendemos como cualquier organismo vivo que no sea visible a simple vista, formas unicelulares. La ciencia que estudia estos fenómenos microscópicos es la microbiología. Entre estos microorganismos están las bacterias, los virus, los mohos y las levaduras (UPNA, 2016). La correcta selección de los microorganismos es esencial en la producción industrial para alcanzar la mayor eficiencia de un biorreactor y obtener el máximo del producto de interés. A pesar de que la productividad del proceso, está relacionada con la optimización de los parámetros de operación del equipo, la célula es la entidad donde se desarrolla toda la actividad de manufactura. La producción en un biorreactor depende de la población de microorganismos empleada en el proceso, el ambiente donde las células se cultivan debe proporcionar lo necesario para que ellas rindan los resultados esperados. La selección de un microorganismo para un proceso, en primer lugar, está sujeta a que este satisfaga las condiciones mínimas de producción. En la tabla 1 se enuncian varias especies de microorganismos utilizadas en distintos campos industriales y los subproductos generados. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 13 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Tabla 1. Microorganismos y áreas de aplicación (Saura, 2003) Áreas de Especies Ejemplos de aplicación productos obtenidos Salud Bordetella pertusis, Vacuna triple Clostridium tetani y Corynebacterium diphteriae Penicillum chrysogenum Penicilina Streptomyces sp. Estreptomicina Escherichia coli Insulina, interferón recombinante Alimentos Saccharomyces cerevisiae Pan Streptococcus lactis Yogurt Saccharomyces spp. Cerveza, vino, sidra Acetobacter Vinagre Bacillus spp. Saborizantes Streptococcus spp. Quesos Productos Saccharomyces cerevisiae Etanol industriales Clostridium Butanol, acetona acetobutilicum Bacillus Enzimas industriales Aspergillus Amilasa, proteasas, celulasas, pectinasas Aspergillus niger Ácido cítrico y glucónico La amplia utilización de los microorganismos son la base de industrias muy importantes en varios campos, donde uno de las especies más utilizada es Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) también denominada “levadura”, la cual es un hongo unicelular (Figura 4). En ámbito alimentario la importancia de S. cerevisiae se debe a la capacidad de dicho organismo de esponjar el pan y por otra parte por el producto Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 14 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas final que se obtiene de la fermentación alcohólica (la cerveza y el vino). El esponjar el pan y la fermentación alcohólica ocurren debido a la metabolización de los azúcares de la masa o el mosto (esencialmente glucosa, fructosa, sacarosa o maltosa) para generar dióxido de carbono y alcohol etílico o etanol. El primero es un gas que provoca que la masa del pan suba y forma las burbujas del cava, mientras que el segundo es el origen de las bebidas alcohólicas. La fermentación proporciona energía a la levadura independientemente de la presencia o no de oxígeno siendo una reacción endógena de oxidación-reducción (redox), durante la cual la mitad de la molécula de azúcar hace de donadora de electrones a la otra mitad. Figura 4. Micrografía electrónica de Saccharomyces cerevisiae. Especie utilizada en diferentes campos industriales. Tomado de: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Saccharomyces_cerevisiae_S EM.jpg Un requisito esencial para seleccionar el microorganismo es que generen un alto rendimiento del producto. No obstante, esta condición no garantiza el buen desempeño del biorreactor y, menos aún, una alta productividad del proceso. Para esto es necesario tomar en cuenta otras propiedades de los microorganismos, en relación con el caldo de cultivo. Entre ellas están la variedad de sustratos que puede consumir, las condiciones de temperatura y pH a las cuales puede operar, los Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 15 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas requerimientos de oxígeno, la tolerancia al producto y sustrato; así como la producción de co-productos, entre otras. Sustrato La sustancia sobre la cual actúa una enzima se llama sustrato. Los sustratos son específicos para cada enzima, por ejemplo: La sacarosa es el sustrato de la sacarasa que actúa rompiéndola en sus componentes (Enzimas, 2016). Además de la correcta elección del microorganismo de acuerdo al bioproceso que se va a desarrollar, también es importante reconocer las enzimas que pueden modificar la velocidad de reacción en la conversión de sustrato a producto. 1.1.3 Enzimas y sistemas celulares como catalizadores Enlaces Debes tomar en cuenta que el siguiente tema se complementa con los revisados en la asignatura de bioquímica donde revisaste definiciones sobre las proteínas y su actividad catalítica, ahora en esta nueva asignatura podrás aplicar estos conocimientos para la resolución de problemas cotidianos a los que te enfrentarás como ingeniero. La célula, además de ser considerada la unidad fundamental de la vida, es vista como un sistema complejo que cuenta con una gran cantidad de sustancias capaces de sintetizar productos que le son necesarios o beneficiosos por encima de aquellos poco aprovechables o que ponen en riesgo sus funciones vitales y, por ende, la perpetuación de la vida. La Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 16 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas modificación en la velocidad de síntesis de productos de la célula depende de la velocidad de las reacciones químicas. Es importante considerar que la velocidad de una reacción química aumenta o disminuye agregando una sustancia llamada catalizador. En el caso particular de las reacciones químicas orgánicas, como son las de célula; estos catalizadores biológicos son las enzimas, las cuales hacen posibles los procesos de degradación de algunas sustancias complejas, su transformación de una en otra o la producción de nuevos compuestos. Enzima La palabra enzima deriva de la frase griega “en zyme”, que significa “en el fermento”. Las enzimas son biomoléculas especializadas en la catálisis de las reacciones químicas que tienen lugar en la célula (UNAD, 2016). En la actualidad las enzimas se han convertido en elementos muy importantes en los procesos industriales, por ejemplo: el detergente en polvo contiene enzimas llamadas lipasas, utilizadas para remover selectivamente las manchas de manteca, aceite y lápiz labial de nuestra ropa, o bien, proteasas que remueven las manchas de sangre y huevo. Otra enzima de amplia aplicación industrial es la lactasa, la cual se emplea para la producción de leche deslactosada o las dextrinas que en presencia de una amiloglucosidasa y la β-amilasa se convierten en jarabes que son utilizados para la producción de bebidas, confitería, fermentaciones, helados, alimentos infantiles, etc. En la tabla 2 se muestran algunos ejemplos de enzimas y su utilización en la industria. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 17 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Tabla 2. Enzima y su aplicación en la industria (Quirasco & López-Munguía Canales, 2006) Enzima Fuente Aplicación industrial Industria Invertasa Levadura Relleno de caramelos Confitería Glucosa Hongos Eliminación de glucosa Alimentaria oxidasa y oxígeno Papel para prueba de Farmacéutica diabetes Glucosa Bacterias Jarabe de cereales rico Bebidas isomerasa en glucosa refrescantes Pectinasa Hongos Prensado, clarificación Zumos de del vino frutas Renina Hongos Coagulación de leche Quesera Celulasa Bacterias Suavizante y Lavandería abrillantador de tejidos, detergente Lipasa Hongos Degradar la grasa Lechería, lavandería Lactasa Hongos Degradar la lactosa, Lechería y glucosa y galactosa alimentos ADN Bacterias, Replicación de ADN por Investigación polimerasa Archea PCR biológica y forense El mecanismo de funcionamiento de una enzima es muy complejo, pero puede simplificarse con el modelo llave-cerradura (Figura 3). Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 18 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Figura 3. Representación del proceso de degradación de una sustancia (sustrato) por una enzima. Tomado de: https://isqch.files.wordpress.com/2012/11/complejo_enzima- sustrato_llave-cerradura.jpeg Como catalizadores, en un bioproceso las enzimas son requeridas en cantidades muy pequeñas ya que se recuperan al final de cada reacción para recomenzar un nuevo ciclo sin modificar su estado inicial y así funcionar indefinidamente. 1.2 Teoría de la Catálisis Enzimática Como hemos visto la característica sobresaliente de las enzimas es que se fijan específicamente a sus sustratos, pudiendo ser muy grandes las energías de fijación implicadas. Estas energías pueden utilizarse para modificar el sustrato hacia los productos, los teóricos han explorado las diferentes formas en las que la energía de fijación de la enzima y sustrato puede ser utilizada para disminuir la energía de activación de los pasos químicos. Así, la alta selectividad con la que las enzimas participan en diferentes procesos de transformación química y las condiciones de reacción en las que se operan dichos procesos industriales, traen en consecuencia un ahorro energético y económico. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 19 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Teoría de la Catálisis Enzimática Esta implica el análisis de cómo participan las enzimas dentro de una reacción química y cuál es su influencia sobre la velocidad de la misma. Asimismo, incluye las herramientas que te permitirán calcular la afinidad que tiene un biocatalizador por un sustrato y la velocidad máxima que puede llegar a adquirir (Fersht, 1980). En los siguientes apartados se proporcionarán los elementos que permitirán comprender mejor cómo se dan los procesos que se implican en la Teoría de la Catálisis Enzimática. 1.2.1 Biotransformación y biocatálisis Para poder entender la teoría catálisis enzimática, debemos revisar dos conceptos importantes que ayudarán a comprender los cambios y productos derivados de la acción de las enzimas: biotransformación y biocatálisis. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 20 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Biocatálisis y biotransformación La palabra biocatálisis proviene de dos términos: “bio” que significa vida y “catálisis” que significa acelerar. Dentro de cada ser vivo se realizan un sin número de reacciones químicas, las cuales se efectúan de manera simultánea y a temperaturas moderadas. El término biocatálisis se refiere a la utilización de células o sus enzimas aisladas para catalizar reacciones o transformaciones que conducen a la obtención de compuestos de interés, que satisfacen numerosas necesidades humanas. Mientras que el término biotransformación hace referencia a las transformaciones metabólicas que en el organismo sufren la mayoría de los agentes xenobióticos, asimismo esta transformación es catalizada, por enzimas (Cardellá-Rosales, 2007). Ambos procesos se llevan a cabo dentro de los biorreactores. Para desarrollar procesos biocatalíticos a gran escala se suelen seguir las etapas a continuación citadas: Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 21 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Fases de un proceso biocatalítico Es importante considerar que la naturaleza proteica de los biocatalizadores o enzimas permite que las moléculas se degraden fácilmente, recuerda que en contraposición hay catalizadores químicos que al estar constituidos por metales pesados son difíciles de destruir. Sin duda, las ventajas de los biocatalizadores no solo se limitan al aspecto Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 22 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas ambiental, sino también al desarrollo de diversas áreas industriales como la farmacéutica, la alimentaría, la de cosméticos, entre otras. 1.2.2 Cinética de los procesos microbiológicos Continuando con lo anterior ahora revisarás los elementos que conforman la cinética. Comenzarás con el mecanismo por el que ocurre una reacción química ordinaria donde una o más sustancias se transforman dando lugar a la formación de nuevos productos. Asimismo, revisarás de forma más detallada cómo actúan las enzimas sobre la velocidad de las reacciones y la formación de los productos. Cinética química Es el área de la química que estudia la velocidad o rapidez con la que ocurre una reacción, la cual: Predice la velocidad que tendrá una reacción en unas condiciones determinadas de presión, temperatura, concentración, catalizador, etc. Determina y comprende el mecanismo en el que tiene lugar una reacción (Levenspiel, 2004). La energía para que se lleve cabo una reacción química es proporcionada a través del incremento de la temperatura; sin embargo, existen transformaciones que se deben experimentar a temperatura ambiente. Para favorecer estos procesos, se emplean biocatalizadores, que como ya se revisó, su función es modificar la velocidad de producción, mediante la disminución de la energía activación, utilizando menos calor al llevar a cabo la reacción (Figura 4). Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 23 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas Figura 4. Reacción química catalizada. Tomado de: http://coleccion.educ.ar/coleccion/CD21/ce/materialesymetodos.html. Estos biocatalizadores actúan sobre el sustrato (Figura 5). Al unirse a él, a través del sitio activo (parte funcional de la enzima), se forma un complejo (complejo enzima-sustrato) que posteriormente da lugar al producto de interés, tal como se muestra en la siguiente figura: Figura 5. Formación de complejo enzima-sustrato. Tomado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Enzima#/media/File:Induced_fit_diagram_es.svg Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 24 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas En muchos casos las enzimas están integradas por una parte de naturaleza proteínica y otra que no lo es; la primera se conoce como apoenzima y la segunda como cofactor (Figura 5). La actividad de algunas enzimas depende solamente de su estructura como proteína (tal como la observada en la figura 5), mientras que otras necesitan, además, uno o más componentes no proteicos llamados cofactores. Cofactor, coenzima y grupo prostético El cofactor puede ser un ion metálico, la coenzima es una molécula orgánica, algunas enzimas necesitan de ambos para catalizar una reacción bioquímica. En un grupo prostético, el cofactor está unido fuertemente a la enzima (Quirasco & López-Munguía Canales, 2006). El complejo enzima-cofactor catalíticamente activo recibe el nombre de holoenzima. Cuando se separa el cofactor, la proteína restante, que por sí misma es inactiva catalíticamente, se designa con el nombre de apoenzima (Figura 6). Figura 6. Holoenzima-apoenzima. Tomado de: http://apuntesbiotecnologiageneral.blogspot.mx/2014/05/enzimas.html Hasta el momento se revisaron los elementos de la cinética que se puede llevar a cabo con la utilización de catalizadores biológicos y no biológicos Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 25 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas (cofactores) y su relación con la energía de activación. Esto nos ayudará a entender la cinética que se lleva a cabo dentro de los biorreactores. 1.2.3 Cinética enzimática Hoy en día no se dispone de una teoría sencilla que explique la catálisis enzimática. No obstante, existen numerosas ideas soportadas por los hechos experimentales que indican la existencia del complejo enzima- sustrato formado por la unión del sustrato al centro activo de la enzima. Mientras está enlazado a la enzima, el sustrato se transforma en producto, momento en el cual se libera la enzima. Ahora revisaremos un tema elemental que nos permitirá cuantificar la velocidad de reacción en la actividad enzimática, que generalmente se expresa como cambios de concentración por unidad de tiempo, es decir, la cinética enzimática. Cinética enzimática Es una parte de la bioquímica encargada de estudiar las velocidades de reacción que son catalizadas por enzimas (Quirasco & López- Munguía Canales, 2006). La importancia del estudio de la cinética enzimática no solamente radica en el hecho de que las enzimas actúan en el proceso metabólico de los microorganismos, sino que, gracias a su posible inmovilización, puede emplearse cada vez más en reacciones específicas de aplicación industrial. Existen cuatro características que diferencian a las reacciones enzimáticas con respecto a las reacciones químicas catalizadas: a) La enzima es altamente específica y cataliza solamente una o pocas reacciones químicas. Los catalizadores sólidos no suelen ser específicos y pueden intervenir en reacciones diferentes que tengan el mismo grupo funcional. Dada la gran variedad de enzimas descubiertas actualmente (unas 3300), se pueden llevar a cabo un gran número de reacciones químicas empleando enzimas específicas como catalizadores. Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 26 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas b) La velocidad de una reacción catalizada por una enzima es mucho mayor que la realizada por los productos no biológicos. Solo es necesaria la presencia de una pequeña cantidad de enzimas para acelerar suficientemente la reacción. c) Las condiciones de reacción (temperatura, presión, pH, etc.) de las reacciones enzimáticas son suaves. A bajas temperaturas la actividad de las enzimas es más elevada que la de los catalizadores sólidos. A temperaturas altas los catalizadores ordinarios suelen ir aumentando su actividad, mientras que las de las enzimas disminuyen pudiendo perderla totalmente a partir de cierta temperatura. d) Las enzimas son moléculas sensibles e inestables que requieren cuidado en su uso. Estas pierden fácilmente su actividad catalítica al cambiar su conformación estructural (Desnaturalización en el transcurso de algunas reacciones, Izquierdo et al., 2004). Para que comprendamos cómo se efectúan las reacciones químicas mediante biocatalizadores es necesario que identifiquemos que estas se producen mediante dos etapas, donde: En la Etapa 1 la enzima se une, a través del sitio activo, al sustrato, formando el complejo enzima-sustrato (Figura 7). Mientras que en la Etapa 2 el complejo enzima-sustrato da lugar a la generación del producto, liberando la enzima para volver a iniciar la etapa 1 (Figura 7). Figura 7. Etapas de una reacción biocatalizada. Modificado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Enzima#/media/File:Induced_fit_diagram_es.svg Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 27 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas El comportamiento característico de la reacción de la mayoría de las enzimas puede describirse mediante la ecuación de Michaelis-Menten, la cual muestra la relación entre la velocidad inicial y la concentración de sustrato. Este modelo considera que cuando el reactivo o sustrato (S) está en contacto con la enzima (E), rápidamente se combinan para formar un complejo enzima-sustrato (ES). Posteriormente, de este complejo se liberan tanto el producto como la enzima, dejándola disponible para combinarse con una nueva molécula de sustrato. Lo anterior se representa en la siguiente ecuación general para una reacción en la que participa un solo sustrato: En donde: S = sustrato E = enzima ES = complejo enzima sustrato o complejo de Michaelis-Menten 𝒌𝟏 , 𝒌𝟐 , 𝒌−𝟏 , 𝒌−𝟐 = Constantes de velocidad de la reacción (constantes cinéticas) A continuación, revisarás el proceso que sucede en una reacción enzimática, analizando cada una de las fases. En la etapa 1 puede distinguirse que se forma el complejo enzima- sustrato; sin embargo, cierta parte del complejo se disocia para restablecer la enzima libre y el sustrato; en cambio, en la etapa 2, el complejo enzima- sustrato se disocia para generar la enzima libre y el producto; de tal forma, que las velocidades con sus respectivas constantes cinéticas, para cada uno de los procesos individuales, se pueden expresar como: 𝑣1=𝑘1 [𝐸] [𝑆] Etapa 1: Formación del complejo enzima- sustrato. 𝒗𝟐= 𝑘2 [𝑬𝑺] Etapa 1: Disociación del complejo enzima- sustrato. 𝒗𝟑= 𝑘3 [𝑬𝑺] Etapa 2: Disociación del complejo enzima- sustrato. Donde: Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 28 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas k1, k2, k3= Constantes microscópicas de velocidad/constantes cinéticas individuales [E]= Concentración de enzima libre [S]= Concentración de sustrato [ES]= Concentración del complejo enzima-sustrato Se puede distinguir entre enzima libre (E) y enzima unido al sustrato [ES], de forma que la concentración total de enzima [ET], (que es constante a lo largo de la reacción) es: [ET] = [E] + [ES] Como [E] = [ET] - [ES], resulta que: v1= k1 [S] [ET] - k1 [S] [ES] Este modelo cinético adopta la hipótesis del estado estacionario según la cual la concentración del complejo enzima-sustrato es pequeña y constante a lo largo de la reacción. Por tanto, la velocidad de formación del complejo enzima-sustrato (v1) es igual a la de su disociación (v2+ v3): v1 = v2 + v3 Además, como [ES] es constante, la velocidad de formación de los productos es constante: v = v3 = k3 [ES] = constante Como v1=v2+v3, podemos decir que: k1 [S] [ET] - k1 [S] [ES] = k2 [ES] + k3 [ES] 1 Multiplicando por k : 1 𝟏 (𝒌𝟏 [𝑬𝑻][𝑺] − 𝒌𝟏 [𝑬𝑺][𝑺] = 𝒌𝟐 [𝑬𝑺] + 𝒌𝟑 [𝑬𝑺]) ( ) 𝒌𝟏 𝒌𝟐 𝒌𝟑 [𝑬𝑻][𝑺] − [𝑬𝑺][𝑺] = [𝑬𝑺] + [𝑬𝑺] 𝒌𝟏 𝒌𝟏 Despejando la [ES]: 𝒌𝟐 𝒌𝟑 [𝑬𝑺][𝑺] + [𝑬𝑺] + [𝑬𝑺] = [𝑬𝑻][𝑺] 𝒌𝟏 𝒌𝟏 𝒌𝟐 𝒌𝟑 [𝑬𝑺] ([𝑺] + + ) = [𝑬𝑻][𝑺] 𝒌𝟏 𝒌𝟏 Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 29 U1 Ingeniería de biorreactores I Biorreactores. Conceptos y herramientas básicas 𝒌𝟐 + 𝒌𝟑 [𝑬𝑺] ([𝑺] + ) = [𝑬𝑻][𝑺] 𝒌𝟏 [𝑬𝑻][𝑺] [𝑬𝑺] = 𝒌 + 𝒌𝟑 [𝑺] + 𝟐 𝒌𝟏 [𝑬𝑻][𝑺] [𝑬𝑺] = 𝑲𝑴 + [𝑺] 𝒌𝟐 +𝒌𝟑 Siendo que 𝐾𝑚 = 𝒌𝟏 o constante de Michaelis-Menten Constante de Michaelis-Menten En 1913, el bioquímico alemán L. Michaelis y la médica canadiense M.L. Menten formularon una ecuación matemática que relaciona la velocidad de reacción y la [S]. En dicha ecuación aparece el término km, denominado “constante de Michaelis-Menten”. La KM es una característica constante de cada enzima: se interpreta como un indicador de la afinidad entre un enzima y su sustrato y equivale a la concentración de sustrato a la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima de reacción (Colegio marista de Granada, 2016). Por lo tanto, en el estado estacionario, la velocidad de formación del producto es: [𝑬𝑻][𝑺] [𝑬𝑺] = 𝑲𝑴 + [𝑺] 𝒌𝟑 [𝑬𝑻][𝑺] 𝒗 = 𝒗𝟑 = 𝒌𝟑 [𝑬𝑺] = 𝑲𝑴 + [𝑺] Si introducimos el parámetro Vmáx en la ecuación general de la velocidad, (la fórmula recuadrada anteriormente), obtenemos la expresión más conocida de la ecuación de Michaelis-Menten: Universidad Abierta y a Distancia de México | DCSBA 30