Diferencias fisiológicas fundamentales entre microorganismos productores de enzimas y productores de antibióticos
Sensibilidad al oxígeno y al pH entre actinomicetos y Bacillus
Las actinomicetos productores de antibióticos (por ejemplo, Streptomyces) y las cepas de Bacillus generadoras de enzimas muestran diferencias notables en su tolerancia ambiental. Los actinomicetos requieren niveles de oxígeno disuelto (OD) superiores al 30 % y un pH cercano a la neutralidad (7,0 a 7,5) para lograr la mejor síntesis de antibióticos como la estreptomicina. Los actinomicetos presentan morfologías filamentosas y, por tanto, tienen una difusión deficiente de oxígeno a lo largo del filamento. En cambio, las cepas de Bacillus suelen requerir niveles de OD entre el 20 % y el 30 % y experimentan desplazamientos alcalinos del pH (6,5-8,0) durante la producción de proteasas. Las cepas de Bacillus exhiben morfologías bacilares, lo que conlleva una alta eficiencia en la captación de oxígeno. Estas limitaciones fisiológicas brindan información valiosa a los diseñadores de fermentadores microbianos respecto al diseño del sistema de aireación y de los controladores de pH.
Tipo de microorganismo Requerimiento de oxígeno Rango óptimo de pH Producto
Actinomicetos Saturación de OD > 30 % 7,0-7,5 Penicilina, Estreptomicina
Bacillus Saturación de OD del 20-30 % 6,5-8,0 Proteasas, Amilasas
Dinámica de formación de productos asociados y no asociados al crecimiento
La producción de enzimas (proteasas recombinantes) está fuertemente asociada al crecimiento y alcanza su máximo durante la fase exponencial, cuando hay una fuerte captación de nutrientes y, por consiguiente, una mayor actividad metabólica. La mayoría (más del 70 %) de las enzimas industriales disponibles comercialmente se obtienen de cepas de Bacillus durante la fase exponencial de crecimiento. La producción de antibióticos, sin embargo, se lleva a cabo durante la fase estacionaria del ciclo. Esta fase se caracteriza por un metabolismo secundario no asociado al crecimiento. En esta fase, bacterias filamentosas (p. ej., actinom)
Características de diseño de los fermentadores microbianos para maximizar la producción de antibióticos
Diseño de fermentadores para la producción de penicilina G y estreptomicina
Para sintetizar antibióticos, el proceso ambiental de fermentación de actinomicetos debe ser extremadamente exigente. Para la síntesis de penicilina (G), se requiere que el oxígeno disuelto supere el 30 % de saturación, mientras que, para la estreptomicina, el oxígeno disuelto debe controlarse para que sea inferior al 20 %, lo que puede provocar una reducción del rendimiento del 40 al 60 % (BioProcessing Journal, 2023). El proceso metabólico de la penicilina cesa entre pH 6,5 y 7,0. Por encima de pH 7,8 a 8,2, también cesa el proceso metabólico de la estreptomicina. Los fermentadores modernos abordan el reto de mantener niveles adecuados de oxígeno mediante el uso combinado de turbinas agitadoras y sistemas de aireación por burbujeo. Estos fermentadores emplean sondas automatizadas integradas que pueden autorregularse añadiendo CO₂ o base para contrarrestar la caída del pH causada por la acumulación de ácidos orgánicos.
Ampliaciones del metabolismo secundario mediante el cambio del modo por lotes
La formación de antibióticos tiene lugar en la etapa final del metabolismo secundario, durante la fase estacionaria. La síntesis de penicilina y G ocurre cuando la concentración de glucosa se mantiene por debajo de 0,5 g/L para evitar la interrupción de las vías biosintéticas. La fase de producción se extiende más de 40 a 60 horas, mientras que el rendimiento aumenta hasta un 50 % en comparación con el lote tradicional. Los subproductos del proceso de fermentación se acumulan, lo que puede resultar perjudicial para la operación. La síntesis de los antibióticos constituye la principal prioridad, y la energía celular se dirige específicamente hacia dicha síntesis.
Buenas prácticas en la configuración de fermentadores microbianos para la fabricación de enzimas terapéuticas
Diseño de agitadores de bajo cizallamiento y estrategias de control de pH (pH-stat) para mantener la estabilidad de proteasas recombinantes
Al producir enzimas terapéuticas, como proteasas recombinantes, son necesarias configuraciones especializadas de fermentadores para evitar la degradación estructural. Los diseños de agitadores de bajo cizallamiento, como los de paletas inclinadas y los hidrofoil, son eficaces para garantizar que las proteínas no se desnaturalicen y ayudan a evitar la pérdida de actividad de las proteasas. Un sistema de control pH-stat, que mantiene el rango de pH entre 6,5 y 7,5 para las proteasas ajustando automáticamente las cantidades de ácido y base, constituye una adición necesaria al sistema. Si el pH no se controla adecuadamente, se producen cambios conformacionales debidos al pH y la actividad de las proteasas queda fuertemente inhibida, pudiendo incluso reducirse hasta un 50 % en un solo ciclo. Si ambos sistemas se combinan, se incrementa considerablemente el rendimiento y se asegura que el producto cumpla con las normativas vigentes en el sector.
Elección del tipo adecuado de fermentador microbiano según la escala, el marco legal y el resultado esperado
La selección del fermentador microbiano adecuado implica la alineación de tres variables: la escala de producción, las restricciones legales y las características de la salida requerida. En los niveles más bajos de producción, los proyectos de investigación y piloto utilizan sistemas pequeños y modulares; en los niveles más altos, la investigación sobre la producción industrial de antibióticos emplea grandes reactores de tanque agitado con esterilización automática para cumplir con los numerosos requisitos de los fármacos modernos. En los niveles más altos de producción, la fabricación de enzimas terapéuticas de alto valor y de metabolitos producibles a granel se contrasta mediante el uso de impulsores de bajo cizallamiento y turbinas Rushton de alta transferencia de oxígeno, respectivamente. Los datos indican que el 34 % de los casos de transferencia tecnológica fallida desde proyectos de investigación a producción se deben a una mala coincidencia entre la escala y la tecnología, lo que provoca el fracaso de los proyectos de fermentación. Es razonable afirmar que la implementación exitosa depende en gran medida del cumplimiento normativo, el rendimiento y la eficiencia operativa incorporados al sistema desde sus primeras etapas.
Preguntas frecuentes
¿Qué factores ambientales afectan la producción de antibióticos y enzimas?
Para la biosíntesis de antibióticos, las actinomicetos dependen de un nivel adecuado de oxígeno disuelto (>30 % de saturación) y de un pH neutro de 7,0–7,5. Las cepas de Bacillus productoras de enzimas prefieren niveles moderados de oxígeno disuelto del 20–30 % y un pH alcalino de 6,5–8,0.
¿Cuál es la diferencia entre la producción asociada al crecimiento y la no asociada al crecimiento?
La producción asociada al crecimiento es la producción de enzimas microbianas, que ocurre durante la fase exponencial, mientras que la producción de antibióticos, que tiene lugar durante la fase estacionaria, constituye un ejemplo de producción no asociada al crecimiento.
¿Qué configuraciones de biorreactores permiten una producción de alto rendimiento de antibióticos?
Los biorreactores de tanque agitado equipados con turbinas (combinados con un buen control del OD/pH) son su mejor opción para antibióticos como la penicilina y la estreptomicina. Las estrategias por lotes alimentados, que prolongan la fase estacionaria de producción, ofrecen los mayores incrementos en el rendimiento.
¿Cómo está diseñado el fermentador para la producción de enzimas terapéuticas?
En la producción de enzimas terapéuticas, se utilizan agitadores de bajo cizallamiento para evitar la desnaturalización de las proteínas. Asimismo, para mantener la estabilidad de la enzima dentro del rango de pH de 6,5 a 7,5, se emplea un sistema avanzado de control de pH (pH-stat).
¿Por qué es importante la elección del fermentador para el proceso microbiano?
La selección de fermentadores guarda una estrecha relación con la escala de producción, la consideración lógica del rendimiento del proceso y la producción de etapas comercializables, sujetas a limitaciones regulatorias.