Construcción de un biorreactor artesanal tipo tanque agitado, validación experimental y evaluación del desempeño en el cultivo de Kluyveromyces marxianus CCEBI 2011

Abstract

El aprovechamiento de las múltiples potencialidades biotecnológicas que ofrecen los microorganismos requiere de estudios previos sobre su comportamiento fisiológico y cinético, a diferentes escalas, utilizando plataformas de experimentación que garanticen ambientes controlados para el crecimiento, caracterizadas, usualmente, por sus altos precios de mercado. En el presente trabajo se diseñó y construyó un biorreactor artesanal tipo tanque agitado para el estudio del comportamiento fisiológico y cinético, en fermentaciones sumergidas, de levaduras y otros microorganismos caracterizados por sus altas velocidades de crecimiento. El biorreactor se construyó utilizando materiales resistentes e instrumentación y equipamiento de fácil accesibilidad; el mismo se constituyó de un vaso de configuración esférica, de 2 L de capacidad, al cual se acoplaron los sistemas básicos de entrada y salida de gases, agitación, control de la temperatura, entrada de antiespumante, así como sistemas semiautomáticos asépticos de remoción de muestras y entrada de inóculo. La disposición estructural e integración de tales sistemas permitió garantizar las condiciones mínimo-indispensables para el desarrollo de procesos fermentativos eficientes a pequeña escala, así como la estabilidad temporal de los parámetros de operación prefijados. Los estudios de validación experimental realizados, mostraron que el biorreactor está apto para el cultivo de microorganismos, alcanzándose niveles adecuados de transferencia de oxígeno (kLa = 0.058 s-1) a velocidades de agitación de 850 min-1; de igual forma se comprobó la eficiencia del proceso de mezclado, dada esta por su capacidad de mantener constante en el tiempo la concentración de un sólido insoluble finamente particulado y de alta densidad (BaSO4) en suspensión. La capacidad de asepsia del sistema se comprobó mediante controles de esterilidad durante 24 h de funcionamiento continuo, en los cuales no se detectaron contaminantes. Por otra parte, se logró mantener estables la temperatura y el pH (mediante el uso del tampón citrato) en valores prefijados entre 3 y 6.5, durante todo el tiempo de fermentación y en cada una de las corridas fermentativas realizadas. Para la evaluación del desempeño general del biorreactor se utilizó una cepa de la levadura Kluyveromyces marxianus, la cual alcanzó cinéticas de crecimiento comparables a sistemas de tanque agitado comerciales, registrándose, en fermentaciones a pH 5 y pH 3, velocidades de crecimiento específico máximas de 0.6 h-1, cercanas al máximo teórico para la especie; de igual forma se obtuvieron altas concentraciones celulares que llegaron hasta 1.06•1011 cél•mL-1 a pH 3, en solo 7 h de fermentación. Estos resultados avalan la utilidad del biorreactor para estudios de biotecnología microbiana y fermentaciones, así como modelo de experimentación en prácticas de laboratorio.