produccion celular

Introducción. Las células cultivadas en
bioreactores estan expuestas a diferentes tipos
de estrés. Dado un determinado genotipo, el
nivel de producción de un metabolito está
determinado principalmente por las condiciones
ambientales prevalecientes en el fermentador.
Estas condiciones son determinadas, a su vez,
por la reología del caldo de cultivo, el mezclado y
la transferencia de oxígeno en el fermentador.
En el presente proyecto se estudiaron dos
sistemas con respecto al efecto de las
condiciones de mezclado en un cultivo de
células vegetales (Beta vulgaris) y en un cultivo
bacteriano productor de polisacáridos
(Azotobacter vinelandii).
Metodología. Para el cultivo de B. vulgaris se
usaron dos sistemas de fermentación: matraces
agitados (bajo estrés hidrodinámico) y un
fermentador de tanque agitado (alto estrés
hidrodinámico). Para el cultivo de A. vinelandii,
con el fin de separar el efecto hidrodinámico de
aquel del oxígeno disuelto, se usó un sistema de
fermentación que permitió controlar el oxígeno
disuelto a 3 % (por medio de mezcla de gases),
sin afectar las condiciones de mezclado
(hidrodinámica). En algunos experimentos, se
inyectó CO2 (4-25 %) en la corriente de gas de
entrada. En ambos sistemas se determinó el
crecimiento celular, la producción de metabolitos
(betalainas y alginato, respectivamente), así
como la evolución de las propiedades reológicas
de los caldos de cultivo.
Resultados. En el caso de B. vulgaris, los
perfiles cinéticos de biomasa y betalainas fueron
muy similares en ambos sistemas (matraces y
fermentador). Los caldos (conteniendo células)
que se obtuvieron tanto en matraces como en el
tanque agitado fueron viscosos y
pseudoplásticos. En matraces, los caldos
filtrados (sin células) fueron de baja viscosidad y
Newtonianos. Sin embargo, aquellos obtenidos
en fermentador, resultaron de alta viscosidad y
con características pseudoplásticas. Las
propiedades reológicas de los caldos libres de
células estuvieron asociadas con una elevada
acumulación de compuestos extracelulares
(proteinas y carbohidratos) que viscosifican el
medio. Postulamos que, al incrementar la
viscosidad, este material extracelular juega un
importante papel en la reducción de la turbulencia y
que su acumulación puede ser una respuesta de las
células al estrés hidrodinámico. En el caso de A.
vinelandii, se encontró que mientras más alta fué la
velocidad de agitación (entre 300 y 700 rpm), se
logró una más alta velocidad de crecimiento y de
producción de alginato. La formación de agregados
(al menos un orden de magnitud más grandes que
las células individuales), observados a bajas
velocidades de agitación (300 rpm) causan
gradientes de oxígeno disuelto (dentro de los
agregados) y, por lo tanto, podrían explicar la menor
velocidad de crecimiento y de producción de
alginato. Por lo tanto, disminuir o eliminar esta
barrera difusional al oxígeno disuelto facilitaría la
transferencia de masa y mejoraría el rendimiento de
alginato. Sin embargo, cuando se incrementó la
velocidad de agitación, la calidad del alginato (i.e. su
peso molecular promedio), disminuyó un orden de
magnitud. Este fenómeno es probablemente debido
a la producción de una alginasa a valores altos del
oxígeno disuelto. Por otra parte, se encontró que
niveles de CO2 en el gas de entrada de hasta 13 %
no afectaron significativamente la cinética de
producción de alginato. Sin embargo,
concentraciones altas de este gas (8-13 %),
permiten que el peso molecular del polímero no
disminuya hacia el final del cultivo.
Implicaciones. Los resultados de este proyecto han
puesto de manifiesto la gran importancia que las
condiciones hidrodinámicas juegan en los procesos
de fermentación. Usando dos modelos biológicos
diferentes, las condiciones de mezclado fueron
responsables de hasta un orden de magnitud de
diferencia, tanto en la producción de compuestos
extracelulares (en cultivos de B. vulgaris) como en el
peso molecular promedio del alginato (en cultivos de
A. vinelandii). Por otra parte, se demostró también
que el CO2 juega un papel importante en el
fenómeno de depolimerización del alginato. El
corolario principal es que es posible manipular las
condiciones hidrodinámicas con el fin de
incrementar o mejorar algunos aspectos (i.e. calidad
del producto, producción de otros metabolitos) en
procesos de fermentación.