La producción eficaz de PHA requiere una estrategia de control estricta en dos fases dentro del reactor para gestionar el metabolismo bacteriano. Inicialmente, los parámetros deben mantener altos niveles de carbono y nutrientes esenciales para maximizar la biomasa; posteriormente, el sistema debe restringir nutrientes específicos como nitrógeno o fósforo para desencadenar la acumulación de polímeros.
Para lograr altos rendimientos de PHA, el reactor debe facilitar un cambio metabólico distinto. El proceso se basa en la transición del cultivo de un entorno de abundancia, que favorece la replicación celular, a un entorno de estrés nutricional, que obliga a las bacterias a almacenar carbono como polímero intracelular.
Optimización de la Etapa Uno: Acumulación de Biomasa
El objetivo principal de la primera etapa es cultivar la "fábrica", es decir, las propias células bacterianas.
Mantenimiento de la Fuente de Carbono
El reactor debe proporcionar un suministro continuo y suficiente de fuentes de carbono, como glucosa o fructosa.
Durante esta fase, el carbono se utiliza principalmente para la generación de energía y componentes estructurales celulares en lugar de para el almacenamiento.
Soporte de Altas Tasas de Crecimiento Específico
Además del carbono, el reactor debe suministrar todos los nutrientes esenciales necesarios para la replicación.
El sistema de control debe garantizar que ningún nutriente limite el crecimiento, permitiendo que el cultivo alcance una alta tasa de crecimiento específico y una acumulación máxima de biomasa.
Optimización de la Etapa Dos: Biosíntesis de PHA
Una vez generada suficiente biomasa, los parámetros del reactor deben cambiar para alterar el estado fisiológico de las bacterias.
Limitación de Nutrientes Esenciales
El sistema de control debe limitar estrictamente el suministro de nutrientes específicos, más comúnmente nitrógeno o fósforo.
Esta depleción sirve como desencadenante biológico que indica a las bacterias que dejen de dividirse y comiencen los mecanismos de supervivencia.
Desencadenamiento de la Respuesta al Estrés
Al mantener un suministro de carbono mientras se retienen los nutrientes esenciales, el reactor induce una respuesta al estrés bacteriano.
Esto dirige a las células a desviar el flujo de carbono de la reproducción hacia la biosíntesis eficiente de PHA como reserva de energía.
Comprensión de las Compensaciones del Proceso
La gestión de la transición entre estas dos etapas distintas presenta desafíos específicos para el control del proceso.
El Momento de la Limitación de Nutrientes
Si el sistema de control restringe el nitrógeno o el fósforo demasiado pronto, la acumulación de biomasa se verá obstaculizada.
Esto da como resultado una pequeña población de células que, incluso si están llenas de PHA, no pueden producir un alto rendimiento volumétrico total.
Equilibrio entre Estrés y Viabilidad
La limitación de nutrientes debe ser lo suficientemente severa como para desencadenar la respuesta al estrés, pero no tan absoluta como para que colapse la viabilidad celular.
El reactor debe mantener un entorno en el que las células permanezcan lo suficientemente activas metabólicamente como para polimerizar el carbono, a pesar de la falta de nutrientes para la división.
Diseño de su Estrategia de Control
Para maximizar la eficiencia de su bioproceso, centre sus parámetros de control en los objetivos específicos de cada fase.
- Si su enfoque principal es el Crecimiento Rápido de Biomasa: Asegúrese de que su reactor mantenga un excedente tanto de carbono como de nutrientes esenciales para prevenir señales de estrés prematuras.
- Si su enfoque principal es el Contenido Máximo de Polímeros: Calibre el control de su proceso para restringir drásticamente el nitrógeno o el fósforo mientras mantiene la disponibilidad de carbono en exceso durante la segunda etapa.
El éxito en la producción de PHA depende en última instancia de la precisión con la que pueda manipular el entorno bacteriano de un estado de crecimiento a un estado de almacenamiento.
Tabla Resumen:
| Fase de Producción | Objetivo Principal | Estado de la Fuente de Carbono | Control Clave de Nutrientes (N, P) | Resultado Metabólico |
|---|---|---|---|---|
| Etapa 1: Crecimiento | Maximizar Biomasa | Suministro Continuo | No Limitante (Excedente) | Replicación Celular |
| Etapa 2: Síntesis | Acumulación de PHA | Disponibilidad Excesiva | Estrictamente Limitado (Agotado) | Almacenamiento de Carbono (PHA) |
| Objetivo de Transición | Alto Rendimiento Volumétrico | Mantener Flujo Metabólico | Desencadenar Respuesta al Estrés | Cambio de Crecimiento a Almacenamiento |
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Referencias
- Amandeep Girdhar, Archana Tiwari. Process Parameters for Influencing Polyhydroxyalkanoate Producing Bacterial Factories: An Overview. DOI: 10.4172/2157-7463.1000155
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