Cultivo industrial de Kluyveromyces marxianus
(Batch y Fed-Batch)
Existe un creciente interés en el desarrollo de tecnología para Kluyveromyces marxianus:
Levadura de fermentación industrial con la mayor tasa de crecimiento de todas las eucariotas, asimila lactosa y fructanos de residuos agroindustriales, como lactosuero o bagazo.
De características fisiológicas que desplazan a la competencia microbiana; extremófila, temperatura óptima a 45°C, tolera hasta una temperatura de 52 °C y una concentración de etanol del 20%. Simplificando la eliminación de contaminantes biológicos en puntos de producción aleatorios (Jiménez-Sánchez, A. et al. 1999) (Chapman, J. et al. 1994).
Fig. 1. Kluyveromyces marxianus, siembra por estría cruzada. Las colonias presentan un tamaño mayor al de las levaduras convencionales de Saccharomyces (propia, 2022).
Los cultivos de levaduras industriales como K. marxianus, son útiles para la producción de aditivos alimentarios dentro del marco legal mexicano, además tienen demanda a nivel mundial en la producción de confitería y bebidas alcohólicas. Estos cultivos pueden asimilar una amplia variedad de contaminantes agroindustriales ricos en fibras provenientes de empresas jaliscienses que, en conjunto, aportan el 12% del PIB nacional. Nuestro estado es líder nacional en producción de agave, frambuesa, sandía y caña de azúcar (INEGI, 2009).
Fig. 2. Jalisco es primer lugar nacional en producción de agave. El agro residuo principal: bagazo (CC).
Técnicas de cultivo
El lote-alimentado fed-batch es la técnica de fermentación más utilizada en bioprocesos industriales (Yang, Y. et al. 2019).
Es en realidad, un paso adicional al régimen por lote batch.
En cultivos caracterizados, se identifican las necesidades de consumo de sustrato para mantener un crecimiento exponencial durante todo el proceso. Los rendimientos de biomasa son más de 10 veces mayores en fed-batch que en los procesos batch, reduciendo tiempos de proceso.
Fed-batch consiste en la inyección de un flujo constante de medio fresco (sustrato), que contiene una concentración de óptima para el crecimiento, anterior a cualquier tipo de inhibición enzimática.
Así, la principal limitante para el crecimiento, es la capacidad volumétrica del biorreactor.
Tabla 1. Comparación entre las técnicas de cultivo batch y fed-batch (Karki, G. 2017)
| Características | Batch | Fed-batch |
|---|---|---|
| Sistema de cultivo | Cerrado | Semi-cerrado |
| Adición de medio fresco | No | Sí |
| Volumen de cultivo | Constante | Incrementa |
| Remoción de desecho | No | No |
| Probabilidad de contaminación | Mínima | Intermedia |
| Fases de crecimiento | Fase de retraso (lag), logarítmica, estacionaria y declinante | Fase de retraso (lag), logarítmica, estacionaria y declinante |
| Duración fase logarítmica | Breve | Prolongada |
| Densidad celular | Cambia con el tiempo | Cambia con el tiempo |
| Rendimiento de producto | Bajo | Medio |
Fig. 3. Adición de sustrato y respuesta de biomasa en el régimen de fermentación fed-batch; cuadros: biomasa, triángulos: sustrato (Srivastava, A. K. 2011)
El régimen de fed-batch para cultivos de levadura puede superar la represión catabólica, también útil en los casos en que la demanda de oxígeno es demasiado alta para las capacidades de transferencia de masa del biorreactor (Doran. et al. 2013).
El caudal que se añade por la bomba peristáltica al reactor debe permanecer constante, para mantener una tasa de crecimiento específica constante, manteniendo el sustrato en una concentración óptima para que la biomasa esté siempre en crecimiento durante todo el tiempo de cultivo.
Fig. 4. Diagrama de biorreactor fed-batch y curva característica (Wikicommons, s.f.).
La principal dificultad de automatizar y controlar un cultivo alimentado se debe a las múltiples variables que se deben considerar, que van desde la velocidad de la bomba peristáltica, el diámetro y material de la manguera, los parámetros cinéticos de el microorganismo a utilizar, volumen inicial y final de la operación, así como la tasa de crecimiento específica deseada (Hernández & Vargas, 2016).
La estandarización de fed-batch en laboratorio o planta puede mejorar costes de tiempo y producción.
Kluyveromyces marxianus forma parte de la colección de levaduras en Algae Bank.
Referencias
- Chapman, J.W. et al. The use of the kluyveromyces marxianus inulinase gene promoter for protein production. Patent: WO1994013821A1 1994.
- Doran, P. Bioprocess Engineering Principles. 1995. Elsevier Science & Technology Books ISBN: 0122208552
- Fonseca. G. Physiology of the yeast Kluyveromyces marxianus during batch and chemostat cultures with glucose as the sole carbon source. FEMS Yeast Res. 2007 May;7(3):422-35. doi: 10.1111/j.1567-1364.2006.00192.x.
- INEGI. Cuéntame INEGI – Economía. Jalisco: s.n., 2009. http://cuentame.inegi.org.mx/monografias/informacion/jal/economia/default.aspx?tema=me&e=14#sp.
- Jiménez Sánchez, A. & Jiménez Sánchez, J. Genética microbiana. Madrid : Editorial Síntesis, 1999. 84-7738-592-0.
- Yang, Y. & Sha, M. A Beginner’s Guide to Bioprocess Modes – Batch, FedBatch, and Continuous Fermentation. 2019. Eppendorf. https://www.eppendorf.com/product-media/doc/en/763594/Fermentors-Bioreactors_Application-Note_408_BioBLU-f-Single-Vessel_A-Beginner%E2%80%99s-Guide-Bioprocess-Modes-Batch_Fed-Batch-Continuous-Fermentation.pdf
- Hernández Díaz, Aldo & Vargas García, Pedro. Sistema de control de alimentación para cultivo lote alimentado exponencial. Revista de Análisis Cuantitativo y Estadístico. 2016. 3-6: 57-65. 123456789/203
- Srivastava, A. K. (2011). 2.38 – Fed-Batch Fermentation – Design Strategies. Comprehensive Biotechnology, 1, 515–526. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-088504-9.00112-4.
- Zarate-Rivera A.
- septiembre 3, 2022
- 9:50 am
