Parámetros de producción

La cantidad de penicilina obtenida en un fermentador (PV) es función de la concentración de células (X), de la velocidad específica de producción de penicilina (qp), del tiempo de fermentación (t) y del volumen del medio cultivo (v).

Evidentemente el objetivo es alcanzar altos valores de X y de qp.

Desde 1950 la velocidad de producción de las cepas (qp X) se ha incrementado 40 veces (desde 10 unidades ml-1 h-1 a 400 unidades ml-1 h-1 ).

Entre los factores que afectan qp se tienen el pH, la temperatura, la aireación y la velocidad específica de crecimiento. El pH óptimo debe ser mantenido alrededor de 6.5, lo cual permite además minimizar la hidrólisis de penicilina a ácido peniciloico.

Se debe tener en cuenta que el pH puede no ser constante debido a que el valor óptimo para crecimiento puede ser diferente del de formación de producto.

Los pocos estudios realizados con respecto a la temperatura indican que el valor óptimo para crecimiento es de aproximadamente 30 °C, en tanto que el óptimo de producción oscila entre 20 y 25 °C. Para un proceso “betch” la temperatura puede variar entre 23 y 28 °C, en tanto que para el “batch” alimentado esa variación está entre 25 y 27 °C.

La aireación presenta un problema especial en esta fermentación, debido a que al incrementarse la biomasa, y por consiguiente la demanda de 0 2 , aumenta también la viscosidad del medio, lo cual crea una resistencia importante para la transferencia de oxígeno.

Por lo tanto puede ocurrir que por encima de un cierto valor de X el suministro de oxígeno pueda ser insuficiente para mantener un qp máximo por un determinado tiempo.

Para superar estos problemas se puede incrementar la potencia de agitación, el caudal de aire, la presión dentro del reactor, cambiar las condiciones de cultivo o incluso trabajar con cepas modificadas u hasta una velocidad de alimentación de glucosa cuyo valoroscique no aumenten la viscosidad.

Todo esto indica la necesidad de un adecuado manejo del proceso y del diseño del reactor.

En un cultivo “batch” la velocidad específica de producción de penicilina alcanza valores altos al final del crecimiento exponencial, cayendo posteriormente.

Si la producción se opera en sistema “batch” alimentado el objetivo es obtener tanta biomasa como sea posible (término X de la ecuación 1) la cual debería producir penicilina a una alta velocidad específica (qp en ecuación 1) por el mayor
tiempo posible. Se ha observado que el máximo valor de q p es de aproximada -1 mente 15 unidades por mg h-1 , el cual se alcanza al comienzo de la fermentación y luego declina. Por otra parte los productores obtienen alrededor de 60.000 unidades ml -1 en 200 h de proceso, lo que significa una productividad media de 300 unidades ml-1 h -1.

Por lo tanto si la máxima biomasa alcanzada es de 50 mg ml -1 para un qp de 15 unidades mg-1 h-1 , la máxima productividad debería ser de 750 unidades ml-1 h-1 , lo que indica que el promedio obtenido es menos de la mitad del máximo.

Lo expuesto indica la importancia de mantener un qp elevado. En este sentido se ha determinado cómo influye sobre este valor, la velocidad específica de crecimiento.

El valor de u para la fase de producción, tiene un límite superior, el cual si es superado, la biomasa requiere un exceso de oxígeno que lleva a una disminución de qp, si existe una limitación del mismo en el reactor. El límite inferior de u para la producción varía con la cepa utilizada.

En sistemas de cultivo con alimentación con glucosa, el valor de qp varía linealmente con la alrededor de 0,33 m moles de glucosa (g biomasa)-1 h-1, el cual corresponde a un u de 0,015 h-1.

A mayores valores de velocidad de alimentación u se incrementa linealmente pero qp permanece constante. El valor mínimo de u debajo del cual qp desciende linealmente con u se denomina u crítico (uc). No se conocen con precisión las causas de esta disminución.

El problema por lo tanto es determinar qué factores de la biomasa o del en-torno limitan el valor de qp para tratar de superarlos. Si el oxígeno es el limitante del crecimiento, se demuestra una relación lineal entre el valor de u y la velocidad específica de consumo de oxígeno (qo2).

De lo anteriormente expuesto se deduce que durante la fase de producción o crecimiento lento en un sistema de producción industrial “batch” alimentado (la glucosa es el sustrato limitante) se deberán mantener valores adecuados de u y q02 para lograr un qp apropiado.

Para la mayoría de las fermentaciones industriales el u de producción es menor de 0.01 h-1 . Se debe cuidar en esta fase no tener un exceso de glucosa debido a que el mismo puede ocasionar una inhibición de la actividad o de la síntesis de enzimas involucradas en la biosíntesis de penicilina.

A pesar de que la limitación de hexosa disponible es esencial para el éxito del proceso, el valor de u puede ser controlado por otros nutrientes, habiéndose demostrado que la elección del nutriente limitante (oxígeno, fósforo, sulfato, amonio, magnesio) tiene un efecto marcado sobre el metabolismo energético.

La relación entre q p y u podría indicar la necesidad de prolongar un estado fisiológico particular de las células. Se ha comprobado por estudios en cultivo continuo que existe una correlación entre la velocidad específica de crecimiento y la morfología celular, la cual corresponde a un estado fisiológico determinado.

Para un valor de p mayor de 0,023 h -1 se observa solamente crecimiento vegetativo, en tanto que debajo de 0,014 h-1 comienza a tener lugar la formación de conidias.

Debido a que bajas velocidades de crecimiento son de gran importancia en muchos procesos fermentativos, es una necesidad dilucidar para esos casos que funciones celulares tienen lugar.

Luego, se podría estabilizar la función deseada, como producción de penicilina, por períodos prolongados de tiempo. Un valor mínimo de u podría indicar también la necesidad de reemplazar células viejas o alteradas, las cuales han perdido irreversiblemente su capacidad de síntesis de penicilina.

La duración de la fermentación de penicilina puede estar limitada por la capacidad de transferencia de oxígeno del reactor. Como ya se indicó, en algún momento la concentración celular puede exceder el suministro de oxígeno necesario para mantener un valor alto de qp y la síntesis disminuye.

En algunos procesos la presencia de tóxicos, inhibidores o factores no conocidos pueden causar una disminución en el valor de qp, sobre todo al final de la fase de producción.

Fuente: Apuntes de Microbiología Industrial del Programa Regional de Desarrollo Científico y Tecnológico de la OEA

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Publicado en: Ingenierías