Fermentadores – Tasas de producción mejoradas

El cambio del modo de operación del biorreactor del lote al continuo ahorra el tiempo requerido para la carga, descarga y limpieza del biorreactor, ya que en funcionamiento continuo la carga y descarga se realizan simultáneamente con la fermentación mientras que en los procesos por lotes el biorreactor no genera producto mientras que estos se están llevando a cabo operaciones de «revocación». Asumiendo el mismo tiempo de fermentación tanto para operaciones discontinuas como continuas, el tiempo ahorrado significa que la productividad volumétrica del biorreactor de flujo continuo continuo es mayor.

La extensión del aumento de la productividad depende de la relación entre el tiempo de respuesta y el tiempo de fermentación. Por ejemplo, suponiendo que los tiempos de retorno y fermentación son 10 y 40 h, respectivamente, la productividad volumétrica aumentará en un 25% al cambiar de modo discontinuo a modo continuo. El aumento de la productividad es menor para proporciones más altas de tiempo de fermentación y tiempo de respuesta. Por ejemplo, con el mismo tiempo de respuesta de 10 h, pero con un tiempo de fermentación de 70 h, el aumento de la productividad obtenido al cambiar de un proceso discontinuo a un funcionamiento continuo es sólo del 14%. Como se ha mencionado anteriormente, el reemplazo de un único fermentador de grandes lotes con varios pequeños operando de manera escalonada reducirá la diferencia en las productividades. Sin embargo, una vez más, hay que destacar que esto implica mayores costos de inversión.

Contaminación

El riesgo de contaminación parece ser la principal barrera a superar en el desarrollo de biorreactores continuos de SSF. En el modo de operación por lotes, el flujo de aire y el agua añadida son las únicas corrientes que necesitan entrar en el biorreactor durante la fermentación. Típicamente no es difícil realizar estas operaciones asépticamente. Por otra parte, la operación continua implica un flujo constante de una corriente de alimentación en el biorreactor y una corriente de producto fuera del biorreactor. Es más difícil asegurar que estas operaciones se realizan asépticamente, por lo que el riesgo de contaminación es mayor en el funcionamiento continuo que en el funcionamiento por lotes. Además, las consecuencias de la contaminación ocasional son más graves en el modo continuo. Típicamente, la concentración inicial del contaminante es mucho menor que la del organismo de proceso inoculado. Por lo tanto, si la tasa de crecimiento del contaminante no es significativamente mayor que la del organismo de proceso, no es capaz de alcanzar altas concentraciones antes de que la fermentación termine cuando el biorreactor se opera en modo discontinuo. En el modo continuo de flujo de enchufe, la situación puede o no ser diferente. Si el contaminante se lleva simplemente junto con el flujo, no plantea un problema mayor que el que se plantea para el funcionamiento por lotes. Sin embargo, cualquier mezcla posterior que se produce permite que algunas partículas permanezcan en el biorreactor durante tiempos más largos y también es posible que algunas partículas contaminadas se unan a superficies estacionarias en una parte particular del biorreactor. Esto puede permitir un tiempo suficiente para que el contaminante alcance altos niveles en algunas partículas, lo cual actuaría como semilla para la inoculación del contaminante sobre otras partículas. Obsérvese que en el modo discontinuo el contaminante unido se destruye por operaciones de esterilización llevadas a cabo entre series sucesivas mientras que en modo continuo puede permanecer dentro del biorreactor y convertirse en una fuente para contaminación continua.

La situación sería aún más grave en un fermentador continuo bien mezclado, en el que algunas partículas tienen tiempos de residencia muy largos. Por supuesto, la gravedad del problema dependería de la eficacia con la que el contaminante se pasó de partícula a partícula. Sin embargo, es posible que en este modo un contaminante pueda eventualmente conquistar todo el biorreactor si compite mejor que el organismo del proceso, incluso si el nivel de contaminación inicial es muy bajo.

A menudo se dice que los problemas con la contaminación son menos severos para SSF que para SLF. Por ejemplo, a menudo se afirma que, en los procesos SSF que utilizan hongos filamentosos, la actividad del agua o el pH del sustrato se pueden ajustar a valores lo suficientemente bajos como para ser desfavorables para la mayoría de las bacterias, aunque, por supuesto, tales condiciones no pueden seleccionar contra otros hongos. Con un organismo de crecimiento rápido puede ser suficiente tener una alta densidad de inóculo vigoroso y proporcionar condiciones de crecimiento óptimas temprano durante el proceso para dar al organismo del proceso una ventaja. De hecho, un gran número de procesos comerciales SSF tales como la producción de koji y el enriquecimiento de la proteína de la pulpa de la remolacha se realizan generalmente en condiciones no estériles. En aquellos procesos SSF en los que el organismo de proceso tiene una ventaja selectiva sobre cualquier contaminante, los problemas de contaminación pueden de hecho no ser una barrera seria hacer operación continua. Sin embargo, para los microorganismos de crecimiento lento la operación aséptica será esencial, y los procesos que involucran a estos organismos pueden ser difíciles de adaptar a la operación continua debido a problemas de contaminación.

El grado aceptable de esterilidad depende también del tipo de producto y de las limitaciones legislativas. Los productos farmacéuticos se deben producir en condiciones estériles mientras que koji puede tener una contaminación de 109 bacterias por gramo.

Por lo tanto, desde el punto de vista de los problemas de contaminación, el funcionamiento continuo parece factible para los procesos SSF en los que se cultivan hongos de rápido crecimiento, siempre y cuando el producto no tenga que cumplir con estrictos estándares de esterilidad. El grado de mezcla de la espalda necesita ser reducido para disminuir el impacto de cualquier contaminación. Además, las superficies internas deben estar muy pulidas. La temperatura debe ser controlada cerca de la temperatura óptima de crecimiento del organismo de proceso. Si es posible, la actividad del agua y el pH deben mantenerse tan bajos como sea posible, mientras que no retardan inaceptablemente el crecimiento del organismo del proceso.