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Uso de biorreactores para optimizar la producción de ácido láctico
biorreactor,láctico
CONTEXTO Y APLICACIONES
El mercado del ácido láctico se ha enfrentado a una
gran demanda en los últimos años debido a sus diversas aplicaciones. Entre
estas, se ha utilizado tradicionalmente en la industria alimentaria, para el control del pH, la conservación y la
mejora del sabor como en caramelos y gaseosas, siendo considerado seguro para
su uso por la FDA (Wee et al., 2006). En la industria farmacéutica se utiliza en cremas y pomadas (Babilas et
al., 2012) y en el área médica, el
ácido láctico combinado con polímeros y sales ha demostrado actividad
antitumoral (Jeong et al, 2016; Alsaheb et al, 2015). Sin embargo, en los
últimos años, el monómero para la producción de PLA (ácido poliláctico) ha
ganado una gran visibilidad porque son bioabsorbibles y por
que puede utilizarse en la producción de envases de alimentos y bolsas
biodegradables (Athanasoulia, 2018).
Debido a la creciente preocupación por el medio
ambiente y a los continuos esfuerzos por reducir el costo de producción del
ácido láctico, diversas empresas e investigadores están estudiando alternativas
de producción a partir de fuentes renovables, como el uso de biomasa vegetal o
residuos agroindustriales. Actualmente, los sustratos lignocelulósicos se ven
como la mejor alternativa para reemplazar la glucosa de primera generación y la
producción de varios bioproductos, tales como el ácido láctico (Oliveira et
al., 2018).
FERMENTACIÓN Y PRODUCCIÓN
El ácido láctico se puede producir mediante
fermentación o síntesis química; sin embargo, la vía fermentativa es el método
más utilizado industrialmente y representa alrededor del 90% de la producción
(Hofvendahl y Hahn-Hiigerdal, 2000). Es un proceso biológico, sostenible con
menores costos y permite obtener el isómero puro (D o L-ácido -láctico) para la
producción de PLA (Pal et al., 2009).
En el proceso de fermentación, la producción de ácido
láctico por parte de las bacterias puede sufrir grandes variaciones dependiendo
principalmente del medio de cultivo
(nutrientes), de las especies de microorganismos, y de las condiciones del
proceso.
Se han estudiado y utilizado varios medios de cultivo como fuente de
carbohidratos y fuente de nitrógeno para optimizar la ganancia de biomasa
celular y la producción de ácido láctico por vía fermentativa, entre ellos,
biomasa lignocelulósica hidrolizada (Abdel-Rhaman et al., 2015), melaza de caña
de azúcar (Coelho et al., 2011), agua de maceración de maíz (Cunha, 2016) y residuos de la industria
cervecera (Mussatto et al., 2008) como sustrato principal. El permeado de suero
de la leche (Domingues et al., 1999), la peptona, el extracto de levadura
(Oliveira et al., 2018), la urea y el sulfato de amonio se pueden utilizar como
fuente de aminoácidos y vitaminas. Además, estos suplementos de nitrógeno
también ayudan en la resistencia y tolerancia osmótica en medios que contienen
altas concentraciones de glucosa (Ge et al., 2010).
Las principales bacterias del ácido láctico son Lactococcus, Streptococcus,
Pediococcus, Enterococcus, Lactobacillus,
entre otros géneros de menor expresión (Todar, 2012). Lactobacillus es el género más conocido con mayor número de
especies que se destacan en la producción industrial de ácido láctico con
buenos rendimientos (Dellaglio et al., 2007 y Oliveira et al., 2018a).
Las bacterias del ácido láctico (BAL) no tienen la
capacidad de sintetizar ATP; así, inicialmente descomponen la glucosa en
piruvato, que luego se metaboliza en diferentes compuestos, según el tipo de
fermentación. Las fermentaciones pueden ser homofermentativas, a través de la
vía glucolítica o heterofermentativas, a través de la vía del fosfogliconato
(John, Nampoothiri, Pandey, 2007; Hahn-Hagerdal y hofvendahl, 2000; Reddy et
al., 2008).
En la vía homofermentativa, el piruvato es convertido
en ácido láctico, y en este proceso un mol de glucosa genera dos moles de ácido
láctico (Abdel-Rhaman et al., 2013), mientras que en la vía heterofermentativa
se producen cantidades equimolares de ácido láctico y, además de este
compuesto, se puede obtener CO2, etanol y/o acetato, variando según
la elección de las BAL y la fuente de carbono utilizada (Todar, 2012b; Tan et
al., 2017; Guo et al., 2014).
En última instancia, las condiciones y el control del
proceso determinarán la eficiencia y la productividad. La temperatura tiene una
gran influencia en la producción de ácido láctico, ya que influye en el
crecimiento y las actividades metabólicas de las bacterias (Gao et al., 2018).
El control del pH ideal, según la especie, es capaz de
multiplicar por más del doble la producción de ácido láctico. (Mussatto et al.,
2008). Además, los sistemas de cultivo en modo continuo combinados con la
estrategia de alimentación de nutrientes y el uso de agentes neutralizantes en
el proceso, pueden reducir el efecto inhibidor de la acidez del medio y
optimizar la producción de ácido láctico (Tian et al., 2014a; Abdel-Rhaman y
Sonomoto., 2016; López-Gómez et al., 2019).
Los equipos utilizados deben garantizar fermentaciones
controladas, sin contaminación, y con mecanismos seguros y asépticos de alimentación
y toma de muestras. Los Biorreactores Tecnal se desarrollan y fabrican para automatizar los procesos de
fermentación, ya sea en modo discontinuo, alimentado o continuo, siendo los
encargados de controlar diversos parámetros como pH, espuma, presión,
temperatura, agitación, así como mantener el medio de cultivo en anaeróbico o
aerobiosis según el requerimiento del MO o cepa utilizada.
Características y condiciones de trabajo realizado
EQUIPOS
INDICADOS:
Biorreactor/Fermentador TECNAL modelo BIO-TEC-1,5V con torre de control, modelo BIO-TEC-PRO-II o TEC-BIO-FLEX-II
Equipos
complementares:
Analizador Bioquímico YSI, modelo YSI-2900 o 2950
Análisis: Lactato/Ácido Láctico, Glucosa, Sacarosa y Etanol.
CONSIDERACIONES
FINALES
La producción de ácido láctico depende principalmente
de factores biológicos, nutricionales y de las condiciones del proceso. El
rendimiento de la producción se puede optimizar según la metodología aplicada
en el proceso y cuando se controlan con precisión los requisitos del cultivo.
El uso del biorreactor TECNAL permitió que el cultivo
se realizara en un sistema discontinuo alimentado, mediante la adición
programada de soluciones y nutrientes en modo cronometrado y con dosificación
de volumen específico, según el seguimiento de la biomasa celular. Los
principales requisitos como pH y temperatura se definieron en el software de
control con una precisión de 0,10 histéresis y 0,1°C respectivamente,
manteniendo el rango ideal para los microorganismos durante toda la
fermentación. La agitación constante a bajas velocidades proporcionó poca
oxigenación del cultivo y poca generación de espuma, ideal para cultivos
anaeróbicos, además de asegurar la homogeneidad del medio y la interacción de
la biomasa celular con la disponibilidad de nutrientes.
El Biorreactor TECNAL 1.5L, modelo BIO-TEC-1.5 demostró ser robusto y eficiente para esta aplicación, cumpliendo con todos los parámetros definidos que pueden optimizar la producción de ácido láctico a nivel de investigación y desarrollo del procesos.
ACERCA
DE TECNAL
Tecnal tiene como misión contribuir al
desarrollo científico, tecnológico y de la industria nacional e internacional a
través de la fabricación y venta de equipos científicos, la prestación de
servicios especializados y la difusión del conocimiento.
La empresa busca crecer de manera
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