Modelado cinético y simulación numérica del cultivo de Saccharomyces Cerevisiae en biorreactor batch mediante el uso de ecuaciones diferenciales y el Modelo de Monod para la optimización de la curva de crecimiento

Abstract

Esta Memoria Laboral desarrolló el modelado cinético y simulación numérica para la producción de Saccharomyces cerevisiae en biorreactor batch. Se integraron los principios del modelo de Monod con la dinámica de consumo de sustratos y nutrientes, estableciendo las bases teóricas para maximizar la productividad de biomasa. El modelo considera los efectos de la melaza como sustrato principal, así como el rol crítico de nutrientes como urea, MgSO₄ y H₃PO₄, junto con la transferencia de oxígeno como factor limitante del crecimiento. La simulación numérica en Python permitió determinar las mejores condiciones operativas: concentración de melaza en 25 g/L, urea en 2.0 g/L, MgSO₄ en 0.5 g/L, H₃PO₄ en 1.0 g/L y una tasa de oxigenación (kLa) de 35 h⁻¹. Bajo estas condiciones, se logra una biomasa de 8.5-9.0 g/L en un tiempo de fermentación de 18-20 horas, con una eficiencia predictiva del 92% respecto a datos experimentales históricos. Como resultado, se logra establecer los lineamientos básicos e importantes para la elaboración de un protocolo de operación estandarizado que incluye puntos de control críticos, acciones correctivas automatizadas y un sistema de monitoreo en tiempo real. La implementación de este protocolo incrementa la productividad en un 25%, reduce costos operativos en un 20% y minimiza las mermas por lotes perdidos, garantizando consistencia y calidad en la producción.