Bioprocesos con microorganismos inmovilizados en polímeros macroporosos

Abstract

En general, para que un proceso de bioconversión industrial basado en microorganismos sea factible es necesario operar en condiciones de alta densidad celular. El uso de biocatalizadores heterogéneos con altas actividades catalíticas y estables por tiempos prolongados puede satisfacer este requerimiento. Uno de los aspectos que puede garantizar el éxito del biocatalizador es el soporte. Idealmente, debe poseer gran área superficial con características físicas y/o químicas que promuevan la adhesión celular, y estabilidad mecánica, química, térmica y biológica. Para ello, en este trabajo se desarrollaron soportes para inmovilización de células basados en HDPE y fibras de celulosa. La modificación de los polímeros se realizó a través de polimerización por injerto radio-inducido, y adicionalmente para el caso de fibras de celulosa, por cationización química. Los soportes obtenidos se estudiaron en cuanto a sus características superficiales y como soportes para la inmovilización de microorganismos. Para ello, se optimizaron las condiciones de inmovilización, carga bacteriana, reusos y recuperación de los materiales desarrollados. E. coli inmovilizada en los soportes desarrollados en el presente trabajo no pierde capacidad catalítica respecto al estado libre. Adicionalmente, se determinó que es posible aumentar la carga de biomasa inmovilizada por incubaciones sucesivas (valor óptimo: 4 re-inmovilizaciones) y/o favoreciendo el crecimiento celular de las bacterias inmovilizadas. En este trabajo se demostró que una vez que la biomasa inmovilizada pierde actividad, es posible recuperar el soporte a través de un proceso de lavado. La optimización del proceso de lavado con detergentes enzimáticos permitió obtener la recuperación total del soporte hasta 9 veces, lo cual mejora sustancialmente su vida útil. Se realizaron cinéticas de inmovilización para determinar el tiempo óptimo de incubación del soporte con la suspensión bacteriana, permitiendo reducir el tiempo del proceso 4 veces (de 16 a 4 horas). Además, se ensayaron reacciones biocatalíticas sucesivas o reúsos con las células inmovilizadas para demostrar la estabilidad del inmovilizado en condiciones de operación. Se comprobó que los soportes obtenidos (HDPE-EDA, Cel-EDA y Cel-TMA) son adecuados tanto para la inmovilización de E. coli como de un microorganismo representativo de las bacterias Gram positivas como L. lactis. Las fibras de celulosa modificadas químicamente (Cel-TMA) se utilizaron como soporte para el desarrollo de un sistema de operación en continuo con L. lactis inmovilizadas para la producción de nisina a partir de un medio de cultivo basado en un desecho industrial. Para ello se formuló un medio de cultivo basado en suero de ricota y harina de soja y se optimizaron las condiciones de crecimiento y producción. Con el objetivo de diseñar un proceso de producción integrado, se diseñó un dispositivo para la recuperación in situ del producto. Se obtuvieron valores de producción de nisina del orden de los 16 mg/l de suero utilizando los medios basados en suero de ricota formulados en este trabajo, y se duplicó este rendimiento con la recuperación in situ de la nisina con cultivos en batch. La producción de nisina obtenida en batch fue superior que la reportada para la fermentación en leche. Por último, se diseñó un reactor empacado con fibras de celulosa para la in- movilización de L. lactis y un dispositivo para la recuperación de nisina por extracción con espuma para un proceso en continuo. La fermentación continua se llevó a cabo durante 560 horas y se ensayaron diferentes velocidades de dilución. Se determinaron condiciones de operación en las cuales la lactosa se consume en su totalidad y se produce nisina. El biocatalizador inmovilizado mostró gran estabilidad y resistencia mecánica en las condiciones de operación. El reactor con fibras de celulosa empacadas resultó apropiado para el uso de medios de cultivo con sólidos en suspensión similares a los utilizados a nivel industrial, dado que no se presentaron obstrucciones durante el desarrollo del proceso. La alta estabilidad del inmovilizado lo convierte en una opción para la obtención de numerosos productos metabólicos microbianos no ligados al crecimiento que se excreten al medio de cultivo, como la producción de vitaminas y/o probióticos. En síntesis, los resultados reportados en el presente trabajo muestran la preparación de materiales poliméricos con características apropiadas para la obtención de biocatalizadores inmovilizados con gran actividad y estabilidad para la producción de compuestos biotecnológicos de alto valor agregado.