Cultura continua: definición, principio, proceso, tipos, aplicaciones, límites

El cultivo continuo es un proceso continuo en el que se agregan continuamente nutrientes al biorreactor y el caldo de cultivo (que contiene células y metabolitos) se elimina al mismo tiempo. El volumen del caldo de cultivo es constante debido a una alimentación y velocidad de alimentación constantes (es decir, los nutrientes consumidos se reemplazan y los metabolitos tóxicos se eliminan del cultivo).

Algunas ventajas del cultivo continuo son:

1. En cultivo continuo, mantener constante el volumen de trabajo simplifica el escalado del cultivo basado en una estrategia de volumen de energía constante.
2. Es posible crear condiciones óptimas para la síntesis máxima y a largo plazo del producto.
3. Capacidad para obtener una calidad de producto estable (el estado estacionario consiste en un cultivo celular homogéneo con una concentración constante de biomasa y metabolitos).
4. También da como resultado una mayor productividad por unidad de volumen, ya que no hay necesidad de tareas que consumen mucho tiempo, como la limpieza y la esterilización.
5. Los cultivos en estado estacionario pueden durar días, semanas o incluso meses, lo que reduce en gran medida el tiempo de inactividad y hace que el proceso sea económicamente más competitivo.

Principio de cultivo continuo

• Un sistema de flujo continuo consta de un reactor en el que se bombean reactivos a una velocidad constante y desde el cual se emiten productos.
• Los factores que regulan su funcionamiento son:
  • cómo pasa el material a través del reactor (que depende de su diseño);
  • la cinética de la reacción en curso.
• En cultivo continuo, los nutrientes que limitan el crecimiento se pueden mantener en concentraciones estacionarias, lo que permite que los microorganismos crezcan a tasas submáximas.
• En un estado estacionario, la tasa de crecimiento celular y las condiciones ambientales, como las concentraciones de metabolitos, permanecen constantes.
• Además, en cultivo continuo, parámetros como el pH, la tensión de oxígeno, la concentración de productos de excreción y la densidad de población pueden monitorearse y controlarse fácilmente.

Proceso de cultivo continuo

• En el cultivo continuo, se establece un sistema abierto en el que se alimentan continuamente una o más corrientes de alimentación que contienen los nutrientes necesarios, mientras que la corriente efluente que contiene las células, productos y residuos se elimina continuamente.
• Se establece un estado estacionario manteniendo un caudal volumétrico igual para las corrientes de alimentación y efluentes.
• El volumen de cultivo se mantiene constante y todas las concentraciones de nutrientes permanecen constantes en estado estacionario.
• Durante este proceso se prolonga la fase de crecimiento exponencial y se evita la formación de subproductos.
• La fermentación continua es monitoreada por la actividad de crecimiento microbiano o la formación de subproductos y estos procesos se denominan como-

A. Método del turbidostato

• El crecimiento celular está controlado y permanece constante en este sistema, pero la velocidad de flujo del medio fresco varía.
• La densidad celular se controla en función del valor establecido para la turbidez, que es creada por la población celular mientras se suministra continuamente medio fresco.

Figura: Turbidostato con fuente de luz utilizado para detectar la turbidez celular y la densidad óptica bacteriana. Imagen Fuente: Najafpour, GD (2015). Ingeniería bioquímica y biotecnología. Otro. https://doi.org/10.1016/B978-044452845-2/50005-7.

B. Método quimiostático

• En un quimiostato, los nutrientes se suministran continuamente a una velocidad constante y la densidad celular se ajusta en función de los nutrientes esenciales suministrados para el crecimiento.
• En un quimiostato, la tasa de crecimiento se determina ajustando la concentración de sustratos como el carbono, el nitrógeno y el fósforo.

Figura: Cultivo quimiostático continuo. Imagen Fuente: Najafpour, GD (2015). Ingeniería bioquímica y biotecnología. Otro. ttps: //doi.org/10.1016/B978-044452845-2/50005-7.]

Los cultivos continuos de sistemas quimiostáticos y turbidostáticos tienen los siguientes criterios:

• El medio y las células cambian continuamente.
• La densidad celular es constante
• Crecimiento en estado estacionario
• Sistema abierto

C. Reactor de flujo pistón

• En este tipo de cultivo continuo, la solución de cultivo fluye a través de un reactor tubular sin agitación.
• En un reactor de flujo pistón, los nutrientes (reactivos) ingresan al reactor en forma de "tapones", que fluyen axialmente a través del reactor.
• El medio de cultivo fluye constantemente a través de un tubo y las células se reciclan desde la salida hasta la entrada.

Figura: Diseño de reactores de flujo casquete. Imagen Fuente: jaibiba, P., Vignesh, SN y Hariharan, S. (2020). Principio de funcionamiento de biorreactores típicos. En biorreactores. Cía https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821264-6.00010-3]

Aplicaciones del cultivo continuo

1. La fermentación en cultivo continuo se ha utilizado para la producción de proteínas unicelulares, disolventes orgánicos, cultivos iniciadores, etc.
2. Se ha utilizado en la elaboración de cerveza, levadura forrajera, vinagre, levadura de cerveza, etc.
3. En la producción industrial de metabolitos secundarios (como los antibióticos de un Penicillium oh estreptomices sp.)
4. Se probó el cultivo continuo para la producción de L-lisina C. glutámico mutante B-6
5. Se ha utilizado en procesos de tratamiento de residuos municipales.

Límites de la cultura continua

1. En el proceso de cultivo a largo plazo, mantener la esterilidad puede ser complicado y el procesamiento posterior puede resultar un desafío.
2. Controlar la producción de algunos productos que no crecen no es fácil, por esta razón, el cultivo continuo a menudo requiere un cultivo por lotes y un suministro continuo de nutrientes.
3. Debido a la viscosidad y la naturaleza heterogénea de la mezcla, puede ser difícil mantener organismos filamentosos.
4. Si una cepa de crecimiento más rápido supera a la cepa del producto original, se puede perder con el tiempo.

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