Cultivos Microbianos: Fed-Batch, Continuos y Sistemas de Control

Fermentación Fed-Batch (por Lote Alimentado)

En el proceso batch convencional descrito antes, todo el sustrato se agrega al comienzo de la fermentación. La fermentación fed-batch es una mejora del proceso batch cerrado. En el método fed-batch, el sustrato se agrega en incrementos a medida que progresa la fermentación. Los elementos esenciales de la solución nutritiva se agregan en bajas concentraciones al comienzo de la fermentación y esas sustancias se continúan agregando en pequeñas dosis durante la fase de producción.

Sistemas Fed-Batch (Tanque Alimentado)

El estanque se alimenta continuamente (o a intervalos) con medio, sin eliminación de cultivo líquido. El sistema se puede lograr:

• Agregando el mismo medio, con un incremento de volumen.
• Agregando una solución de sustrato limitante de la misma concentración que el medio inicial, resultando un incremento de volumen.
• Agregando una solución del nutriente limitante a una menor tasa que en los sistemas anteriores, resultando en un incremento de volumen.
• Agregando una solución muy concentrada del sustrato limitante respecto a los sistemas anteriores, resultando en un incremento insignificante de volumen.

Ventajas del Cultivo Fed-Batch

• Al controlar la concentración de sustrato limitante se evita la represión por catabolito.
• Se puede controlar la tasa de crecimiento y la consecuente demanda de oxígeno mediante una cuidadosa alimentación. En el proceso fed batch de levadura de panificación: para balancear la tasa de transferencia de O2 de un determinado fermentador con la tasa de alimentación de nutriente a fin de minimizar el flujo de sustrato hacia etanol.
• Se puede alcanzar una alta densidad celular (x10) mediante el uso de un fed-batch sobre cultivo batch. El cultivo batch limita el crecimiento celular final debido a que ningún carbono extra está siendo agregado durante el proceso, y el carbono que está presente al comienzo del bioproceso da por resultado una represión por catabolito y una inhibición del crecimiento. Al usar fed-batch con una cuidadosa alimentación, se pueden alcanzar altas densidades celulares (>100 g/L).
• Producción aumentada de metabolitos secundarios.
• Disminución de la viscosidad del caldo. Muy importante en las fermentaciones de hongos filamentosos, o donde el producto es de alta viscosidad (Ej. Xanthomonas campestris - goma xantano). La adición de medio fresco durante la fermentación, diluye el medio y baja brevemente la viscosidad, lo que permite mejor aireación y agitación.

Fermentación Continua

En la fermentación o cultivo continuo se monta un sistema abierto. La solución de nutrientes estéril se agrega al biorreactor continuamente y una cantidad equivalente de solución de nutrientes convertida con microorganismos, simultáneamente sale del sistema. El cultivo continuo es un método de prolongación de la fase exponencial de un organismo en cultivo en batch, mediante la mantención de un ambiente que tiene menos fluctuación en nutrientes, número celular o biomasa. Esto se conoce como steady state. El m.o se alimenta con medio nuevo a cierta tasa y el medio agotado y células se extrae del sistema a la misma tasa.

Técnicas de Control del Cultivo Continuo: Quimiostato y Turbidostato

En el quimiostato en el steady state, el crecimiento celular se controla mediante el ajuste de la concentración (disponibilidad) de un sustrato limitante. En el turbidostato, el crecimiento celular se mantiene constante usando la turbidez para monitorear la concentración de biomasa y la tasa de alimentación de la solución nutritiva se ajusta apropiadamente, es decir opera sin limitaciones.

Sistemas de Cultivo Continuo (Quimiostatos)

Sistema abierto donde la tasa de ingreso = tasa de salida (ej. Volumen constante). Las células crecen exponencialmente por un periodo prolongado. Se selecciona una tasa de flujo para un determinado crecimiento steady state (tasa de crecimiento = tasa de dilución)

• Tasa de dilución > tasa de crecimiento: el cultivo se lava
• Tasa de dilución < tasa de crecimiento: el cultivo sobrecrece
• Tasa de dilución = tasa de crecimiento: cultivo steady state

El producto es recolectado del flujo de salida. Los cultivos en quimiostato estables pueden operar continuamente por semanas o meses.

Cultivo en Batch versus Cultivo Continuo

En el cultivo batch, el ambiente del cultivo cambia continuamente. El crecimiento, la formación de producto y la utilización de sustrato se detiene después de un cierto tiempo. El cultivo continuo provee de condiciones ambientales constantes para el crecimiento y formación de producto y permite mantener la calidad uniforme del producto. Tiene mayor productividad que el cultivo batch para los productos asociados.

Ventajas del Cultivo en Batch versus Cultivo Continuo

• Los productos pueden ser requeridos solo en pequeñas cantidades en un tiempo determinado.
• La demanda del mercado puede ser intermitente.
• La vida útil de ciertos productos es corta.
• Se requiere de una alta concentración de producto en el medio para optimizar los proceso de salida (output, downstream).
• Algunos productos metabólicos se producen solo durante la fase estacionaria del ciclo de crecimiento.
• La inestabilidad de algunas cepas productoras requiere de su renovación regular.
• Comparados a los procesos continuos, los requerimientos técnicos del cultivo batch son más simples.

Sistemas Feedback

Es un sistema de quimiostato con un feedback de biomasa modificado de tal forma que la biomasa en el estanque alcanza una concentración sobre la que es posible en un quimiostato simple. La biomasa es mayor que Y(SR - s). La concentración de biomasa se puede alcanzar mediante:

• Fedback interno: limitando la salida de biomasa desde el quimiostato de modo que la biomasa en el efluente esté menos concentrada que en el estanque.
• Feedback externo: Sometiendo el efluente a un proceso de separación de biomasa, tal como sedimentación o centrifugación, y devolviendo una porción de la biomasa concentrada a estanque de crecimiento.