USO DE BIORREACTORES PARA OPTIMIZAR LA PRODUCCIÓN DE ÁCIDO 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:

Baño termostático

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 innovadora y sustentable, enfocada en la continuidad y excelencia operativa, para convertirse en una referencia en el mercado brasileño e internacional de equipos científicos.

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