Cultivo En Lote

Introducción a las Culturas Fed-Batch Una célula viva de una fuente microbiana, vegetal o animal es esencialmente una Y dividir el reactor bioquímico en el que un gran número de enzima-catalizada bio- Se producen reacciones químicas. Los cultivos microbianos implican células microbianas vivas, Los cultivos de tejidos implican células vegetales o animales vivas. Estas culturas pueden ser El caso de reacciones químicas y bioquímicas, en tres modos operativos clásicos: Discontinuo, continuo o semi-discontinuo (semicontinuo). Durante las últimas tres décadas, Ha habido un tremendo crecimiento en el uso de reactores semicontraíbles en el fermen- La biotecnología, la química y las industrias de tratamiento de residuos debido al Demandas para productos químicos y productos químicos especiales y para ciertas ventajas Los reactores. Los procesos por lotes y semi-lotes se utilizan para manejar, Volumen, productos de alto valor tales como productos de fermentación, incluyendo aminoácidos Y antibióticos, productos de ADN recombinante y productos químicos especiales. Debido a la alta Valores de estos productos, la rentabilidad se puede mejorar mucho incluso con Mejoras en rendimiento y productividad. Por lo tanto, existen incentivos para Batch o semi-batch. Para un proceso por lotes o semi-lotes, el objetivo es maximizar el beneficio que puede Al final de la carrera, momento en el que el contenido del reactor se recoge para Procesamiento adicional tal como separación y purificación. Así, el problema se llama optimización de punto final, ya que sólo al final, no el intermedio, los resultados son relevantes para El beneficio total. 1.1 Culturas por lotes En una operación por lotes, se añaden todos los componentes medios necesarios y el inóculo Al principio y no durante el período de fermentación. Por lo tanto, su concentración No se controlan, sino que se les permite variar a medida que las células vivas las toman. Los productos, ya sean intra o extracelulares, se cosechan sólo al final de la operación. Los controles básicos de pH, temperatura, oxígeno disuelto y espuma se aplican El curso de cultivo por lotes. El pH, el oxígeno disuelto y la temperatura son normalmente Mantenida constante durante el transcurso de la operación del reactor por lotes. La única optimización Son la composición inicial del medio. Sin embargo, las optimizaciones de perfil de La temperatura y el pH pueden conducir a un mejor desempeño sobre las operaciones Salida a temperatura constante y pH constante 1.2 Culturas Continuas En una operación continua, una o más corrientes de alimentación que contienen los nutrientes necesarios Se alimentan continuamente, mientras que la corriente efluente que contiene las células, productos, Y los residuos se eliminan continuamente. Un estado estacionario se establece mediante el mantenimiento- Un caudal volumétrico igual para las corrientes de alimentación y efluente. Al hacerlo, El volumen del cultivo se mantiene constante, y todas las concentraciones de nutrientes permanecen en constante. Las operaciones de reactor continuo son comunes en Industrias. Con la excepción de la producción de proteínas de una sola célula, Procesos de tratamiento de residuos municipales, las culturas continuas no Han sido ampliamente adoptadas por la industria. No es un modo dominante de operación industrial Principalmente por la dificultad de mantener la esterilidad (contaminación por Organismos) y la protección contra los ataques o mutaciones de fagos y porque a menudo, Las operaciones de estado estable se encuentran para dar resultados más pobres que las operaciones dinámicas, Por razones aún no plenamente comprendidas. 1.3 Culturas de Fed-Batch Un cultivo de lote alimentado es una operación semicomerada en la que los nutrientes necesarios para El crecimiento celular y la formación del producto se alimentan de forma intermitente o continua mediante Una o más corrientes de alimentación durante el transcurso de una operación por lotes. El caldo de cultivo se cosecha normalmente sólo al final del período de Total o parcialmente (el resto sirve como inóculo para la siguiente operación repetida). Este proceso puede ser repetido (repetido alimentado-lote) un número de veces si las células son Plenamente viables y productivos. Así, hay una o más corrientes de alimentación, pero no hay efluente Durante el curso de la operación. Fuentes de carbono, nitrógeno, fosfatos, nutrientes,Precursores o inductores se alimentan de forma intermitente o continua en el cultivo Manipulando las velocidades de alimentación durante la operación. Los productos son cosechados El final de la carrera. Por lo tanto, el volumen de cultivo aumenta durante el transcurso de

Hasta que el volumen esté lleno. A continuación, se utiliza un modo de operación por lotes Para obtener los resultados finales. Por lo tanto, el cultivo de lote alimentado es una operación dinámica. Por Manipulación de las velocidades de alimentación, las concentraciones de nutrientes limitantes en el cultivo Pueden ser manipulados para permanecer en un nivel constante o para seguir una configuración predeterminada Perfil óptimo hasta que el volumen de cultivo alcance el máximo, y luego un lote Se utiliza para proporcionar un toque final. Al hacerlo, la concentración de la Producto o el rendimiento del producto al final de la operación se maximiza. Este tipo de operación se llama primero un cultivo discontinuo alimentado o fermentación discontinuo alimentado. 1,2 También es conocido como Zulaufverfahren en alemán o ryukaho 2 (un método de adición de flujo) en Japonés. Obviamente, este tipo de operación es una operación de reactor semiUtilizado para reacciones químicas y bioquímicas. En ingeniería medioambiental con residuos tóxicos, este tipo de operación se conoce como un relleno y dibujar operación o como un reactor de secuenciación por lotes. En la ingeniería biomédica, el proceso respiratorio en fuera del pulmón que se conoce como palo y globo, como el volumen de los pulmones aumenta Inhalamos y disminuimos a medida que exhalamos, que es una forma de proceso alimentado por lotes 1.2 Culturas Continuas En una operación continua, una o más corrientes de alimentación que contienen los nutrientes necesarios Se alimentan continuamente, mientras que la corriente efluente que contiene las células, productos, Y los residuos se eliminan continuamente. Un estado estacionario se establece mediante el mantenimiento- Un caudal volumétrico igual para las corrientes de alimentación y efluente. Al hacerlo, El volumen del cultivo se mantiene constante, y todas las concentraciones de nutrientes permanecen en constante. Las operaciones de reactor continuo son comunes en Industrias. Con la excepción de la producción de proteínas de una sola célula, Procesos de tratamiento de residuos municipales, las culturas continuas no Han sido ampliamente adoptadas por la industria. No es un modo dominante de operación industrial Principalmente por la dificultad de mantener la esterilidad (contaminación por Organismos) y la protección contra los ataques o mutaciones de fagos y porque a menudo, Las operaciones de estado estable se encuentran para dar resultados más pobres que las operaciones dinámicas, Por razones aún no plenamente comprendidas. 1.3 Culturas de Fed-Batch Un cultivo de lote alimentado es una operación semicomerada en la que los nutrientes necesarios para El crecimiento celular y la formación del producto se alimentan de forma intermitente o continua mediante Una o más corrientes de alimentación durante el transcurso de una operación por lotes. Los El caldo de cultivo se cosecha normalmente sólo al final del período de Total o parcialmente (el resto sirve como inóculo para la siguiente operación repetida). Este proceso puede ser repetido (repetido alimentado-lote) un número de veces si las células son Plenamente viables y productivos. Así, hay una o más corrientes de alimentación, pero no hay efluente Durante el curso de la operación. Fuentes de carbono, nitrógeno, fosfatos, nutrientes, Precursores o inductores se alimentan de forma intermitente o continua en el cultivo Manipulando las velocidades de alimentación durante la operación. Los productos son cosechados El final de la carrera. Por lo tanto, el volumen de cultivo aumenta durante el transcurso de Hasta que el volumen esté lleno. A continuación, se utiliza un modo de operación por lotes Para obtener los resultados finales. Por lo tanto, el cultivo de lote alimentado es una operación dinámica. Por Manipulación de las velocidades de alimentación, las concentraciones de nutrientes limitantes en el cultivo Pueden ser manipulados para permanecer en un nivel constante o para seguir una configuración predeterminada Perfil óptimo hasta que el volumen de cultivo alcance el máximo, y luego un lote Se utiliza para proporcionar un toque final. Al hacerlo, la concentración de la Producto o el rendimiento del producto al final de la operación se maximiza. Este tipo de operación se llama primero un cultivo discontinuo alimentado o fermentación discontinuo alimentado. 1,2 También es conocido como Zulaufverfahren en alemán o ryukaho 2 (un método de adición de flujo) en Japonés. Obviamente, este tipo de operación es una operación de reactor semi- Utilizado para reacciones químicas y bioquímicas. En ingeniería medioambiental con residuos tóxicos, este tipo de operación se conoce como un relleno y dibujar operación o como un reactor de secuenciación por lotes. En la ingeniería biomédica, el proceso respiratorio en fuera del pulmón que se conoce como palo y globo, como el volumen de los pulmones aumenta Inhalamos y disminuimos a medida que exhalamos, que es una forma de proceso alimentado por lotes

1.3.1 Razones para las Culturas Fed-Batch El cultivo de lote alimentado se ha practicado desde principios del siglo XX, cuando se En la producción de levadura a partir de mosto de malta que la concentración de malta en el medio tenía que ser mantenido lo suficientemente baja para suprimir la formación de alcohol y maximizar el rendimiento de 3 células de levadura. Una alta concentración de malta aceleraría el crecimiento celular, que a su vez Causaría condiciones anaeróbicas que favorecían la formación de etanol y Rendimiento de las células de levadura. Se añadió mosto adicional a una velocidad que siempre fue menor que La velocidad a la que las células de levadura podrían utilizarla. Alimentación intermitente o incremental de Nutrientes a un medio inicialmente diluido se introdujo a continuación en levadura a gran escala Producción para mejorar los rendimientos de la levadura mientras obvia la producción de etanol. 4 Sin embargo, hay algunas especulaciones de que una pequeña cantidad de etanol puede ser necesaria Para asegurar la calidad de las levaduras del panadero. Mediante la manipulación de una o más velocidades de alimentación, la operación alimentada por lotes puede Proporcionan un medio único de regular la concentración de compuestos que controlan Las principales tasas de reacción y, por lo tanto, puede proporcionar una ventaja Batch o funcionamiento continuo. Si es ventajoso controlar independientemente la Concentración de más de una especie, se puede utilizar más de una corriente de alimentación. La operación alimentada por lote descrita anteriormente también se puede demostrar que produce una supe(Un rendimiento más alto o una mayor productividad) para ciertos productos químicos y Reacciones bioquímicas que presentan un máximo en la velocidad de reacción global o Maximizar la selectividad de un producto específico en sistemas de reacciones Como reacciones biológicas y reacciones de polimerización. Los ejemplos incluyen inhibidos Reacciones enzimáticas y reacciones autocatalíticas, reacciones en las que uno de los productos Actúa como catalizador, ciertas reacciones adiabáticas y reacciones paralelas en serie. FermentaCultivos celulares son reacciones autocatalíticas en el sentido de que las células A su vez producen células adicionales, y no es sorprendente encontrar que la mayoría de los Las fermentaciones industrialmente importantes se llevan a cabo en modo alimentado por lotes. Extenso revisiones de técnicas de fed-batch 57,145,146 están disponibles en otros lugares 1.3.2 Aplicaciones de las Culturas Fed-Batch La más antigua y primera aplicación industrial bien conocida de una operación alimentada por lotes fue Introducido después del final de la Primera Guerra Mundial. Fue la producción de células de levadura en la que Azúcar (glucosa) se añadió de forma incremental durante el curso de la fermentación a Una baja concentración de azúcar para suprimir la formación de alcohol. 3 La fabricación De la levadura por cultivo alimentado por lotes ha pasado por una serie de mejoras y es Proceso alimentado industrialmente importante de la hornada. Este proceso fue seguido históricamente por Fermentación de penicilina, en la que la fuente de energía (por ejemplo, glucosa) y precursores (Por ejemplo, ácido fenilacético) se añadieron de forma incremental durante el transcurso de fermentación 8 para mejorar la producción de penicilina. Antes de esta práctica, un metabolismo lento Pero se usó un sustrato más caro, lactosa, en lugar de glucosa en un cultivo discontinuo. El exceso de suministro de una fuente de carbono dio como resultado un mayor crecimiento micelial y una penicilina baja , Mientras que la insuficiencia produjo un crecimiento micelial más lento y, finalmente, Formación de penicilina más lenta. Las preguntas más importantes que se deben hacer en las operaciones de cultivo Los compuestos deben ser alimentados y cómo se deben agregar. Las respuestas dependen Sobre las características de los organismos utilizados. Los candidatos principales en la lista de Los compuestos que pueden ser alimentados durante el curso de la operación incluyen el límite- Inductores, precursores, una fuente de carbono, una fuente de nitrógeno, un fosfato Fuente, inductores y otras fuentes de nutrientes. Los patrones de alimentación son de bucle abierto O retroalimentación controlada para mantener algunas variables clave a valores óptimos constantes Tales como la tasa de crecimiento específico, cociente respiratorio, pH, presión parcial de carbono Dióxido, oxígeno disuelto, concentración de sustrato y algún metabolito concentrado Traciones. A veces, las velocidades de alimentación óptimas requieren mantener estos parámetros Siguen ciertos perfiles óptimos en lugar de mantenerlos en valores constantes. Para maximizar la tasa de formación de células para el caso de rendimiento de masa celular constante, Es evidente que la concentración de sustrato debe mantenerse al valor que maximiza la tasa de crecimiento específico, S m, hasta que el reactor está lleno. Por lo tanto, también es obvio que la concentración inicial de sustrato debe ser S m, es decir, S (0) = s m, y que la concentración de sustrato debe mantenerse a S m en todo el Curso de fermentación. Esto conducirá a la concentración máxima de células en la Final de la carrera. Para lograr esto, la velocidad de alimentación debe estar regulada la constante a S m concentración de sustrato. Si no es posible ajustar el valor inicial concentración de sustrato a S m por una razón u otra, la concentración de sustrato

Debe ser llevado a este valor tan pronto como sea posible aplicando al principio el velocidad de alimentación de sustrato máxima (S (0) <S m) o un período de lotes (S (0)> S m) y luego la regulación a partir de entonces para mantener la concentración de sustrato permanezca en S m hasta El fermentador está lleno. Una vez que el fermentador está lleno, se ejecuta en un modo por lotes para reducir La concentración de sustrato a un nivel deseado, y las células que contienen el producto Se cosechan. Esta es la base para el caso más simple de un cultivo alimentado por lotes. Cultivos de lote alimentado con la adición de nutrientes, precursores, inductores u otros Aditivos han sido probados en laboratorios, plantas piloto y plantas industriales para producción de diversos productos 2,5,6,7,9 tales como levaduras; Antibióticos; aminoácidos; multa Ácidos orgánicos; Enzimas; Disolventes alcohólicos; Productos de ADN recombinante; Proteínas; Cultivos de tejidos, incluyendo hibridomas y células de ovarios de hámster chino (CHO); insecto Culturas celulares; y otros. Estos se enumeran en la Tabla 1.1 1.1. 1.3.3 Un ejemplo simple de una cultura Fed-Batch Consideremos un ejemplo simple para ilustrar la ventaja de controlar el Concentración del nutriente limitante. Considere el caso más simple de células en crecimiento, O un proceso de fermentación en el que la concentración de metabolito intracelular es Proporcional a la concentración celular para que la producción de metabolitos se maximice Maximizando la producción de masa celular. Supongamos que la tasa de crecimiento Células se inhibe el sustrato. En otras palabras, la tasa aumenta primero con el sustrato concentración alcanzando un valor máximo de μ m en la concentración de sustrato de S m y luego disminuye con el aumento adicional de la concentración de sustrato. En otra Palabras, la tasa es una función no monotónica de la concentración del sustrato, como se muestra En la Figura 1.1. Si la tasa de crecimiento específico aumenta asintóticamente con la concentración de sustrato Al máximo, como en el caso de la cinética monótona de tipo Monod, como Figura 1.2, entonces es obvio mantener la concentración de sustrato lo más alta posible Para maximizar la tasa de crecimiento específico. Debido a que la tasa de crecimiento total es el producto de 1.4 Alternativas a las Culturas Fed-Batch Hay operaciones alternativas posibles. ¿Por qué no funcionar como una cultura continua con una tasa de dilución adecuada para mantener la concentración de sustrato en S m, lo que corresponde A la tasa de crecimiento específica máxima? Primero, asociado con una cultura continua Es el problema de la contaminación por otros microorganismos, ataque por fagos, y Potenciales mutaciones durante un largo período de operación. Además, el subStrate concentración S m puede ser sustancial y puede necesitar ser reducido aún más para Separación más fácil o un mejor rendimiento. Por lo tanto, se requiere un reactor adicional para Reducir la concentración del sustrato, tal como un lote o un gran volumen de fermentor. Además, hay pruebas de que la tasa máxima de producción de algunos productos Puede lograrse en un entorno dinámico en el que las células deben seguir creciendo, Por pequeño que sea. Por ejemplo, un intento de reemplazar los fermentación por un cultivo continuo no ha sido exitosa para penicilina 144 y bacteriana Antígenos 145 cultivos de alimentación discontinua proporcionan condiciones de crecimiento para las células transitorias (menudoVeces el crecimiento exponencial de las células). A lo largo de esta línea de pensamiento, es bien sabido que Los datos cinéticos experimentales de un tipo de biorreactor no se pueden utilizar para diseñar Otro tipo de biorreactor, en particular, los datos de lote o de lote alimentado pueden no ser válidos para Biorreactores continuos, y viceversa. Es mejor utilizar los datos experimentales obtenidos Del tipo de biorreactor que se va a utilizar eventualmente para evitar esta dificultad. Esta Se supone que se debe a simplificar las suposiciones que hacemos para un biorreactor complejo REFERENCIAS Por el contrario, las reacciones químicas son relativamente simples en términos de nuestra comprensión, Y por lo tanto, los datos cinéticos obtenidos de un tipo de reactor químico usualmente Para cualquier otro tipo de reactor

TECNOLOGÍA DE LA CULTURA FED-BATCH Abtrasc El uso de procedimientos alimentados por lotes ofrece claras ventajas sobre otros modos de Operación de boreactores, y es una técnica ampliamente investigada. Estas ventajas son discutidos; Algunos de los usos de los procedimientos de alimentación por lotes y los métodos asociados de Modelado y control Introduccion Hay tres modos de operación de biorreactores identificados, a saber, lote puro, Continua, y alimentada o seml-lote. En un proceso de fermentación discontinua Nutrientes requeridos, con la excepción de la corrección del pH y el oxígeno si es aeróbico, Están en el medio de cultivo antes de la inoculación. Fermentación continua Tienen un flujo de entrada y salida de medio nutriente tal que el medio Volumen en el bloreactor permanece constante y todos los nutrientes en el medio son Presente a una concentración constante. En el caso de un proceso alimentado por lotes, uno o Se suministran más nutrientes al biorreactor pero sin salida durante la operación. Este procedimiento significa que la concentración de uno o más de los nutrientes El medio puede ser manipulado externamente alterando la velocidad de alimentación durante la carrera De acuerdo con la retroalimentación de los parámetros de control tales como la disolución (DO) (41), el pH o el cociente respiratorio (RQ) (55). Alternativamente, el feed-forward Se pueden emplear estrategias utilizando perfiles de alimentación preprogramados. Las ventajas Que estas técnicas dan al operador una tecnología de proceso mejorada Dio lugar a su amplia aplicación industrial. Yamane y Shimizu (59) Inicialmente clasificar las operaciones alimentadas por lotes en aquellas con control de retroalimentación y Los que no tienen, y luego se subdividen de acuerdo con la estrategia de alimentación adoptada. Estos incluyen tasas de alimentación constantes y exponenciales y procedimientos optimizados. Los primeros trabajos tienden a utilizar la alimentación intermitente o las tasas de alimentación constante, Los avances en las técnicas de medición y control hacen posible utilizar Sofisticados programas. El avance correspondiente en los sistemas informáticos ha Resultó en su uso extensivo para el control y la optimización de los lotes alimentados Operaciones. Recientemente se han publicado varias revisiones de dichas solicitudes (18, 39, 43). La ventaja principal que la técnica fed-batch ofrece sobre lote puro Cultivo es la capacidad de controlar o alterar la concentración de uno o más Nutrientes dentro del medio de cultivo. Por lo tanto, es ideal para procesos en los que Ya sea el crecimiento celular o la formación del producto es sensible a la concentración del Limitante. También puede permitir la sustitución de fuentes Nutrientes con componentes más definibles para que altos niveles de reproducibilidad Y la previsibilidad sea posible

INHIBICION DEL SUSTRATO

En muchos procesos el nutriente utilizado para el crecimiento por el organismo, tales como Etanol o compuestos aromáticos, inhibirán el proceso de crecimiento a Concentraciones. Esta inhibición puede ser superada usando un procedimiento alimentado por lotes. Renard et al (41) previenen el efecto tóxico del metanol sobre Pseudomonas AMI Utilizando adiciones de metanol en respuesta a la tensión medida de oxígeno disuelto. Esta limitación del crecimiento evitada debido a la toxicidad del metanol oa la falta de Metanol. Similarmente, Silman (46) encontró inhibición de la glucosa de Zymomonas En concentraciones superiores al 8% p / v, pero superó esta inhibición Alimentando la glucosa y así fue capaz de mantener productividades de etanol mayores De 4,5 g de etanol / L / h. Para obtener altas concentraciones celulares en un cultivo discontinuo es necesario suministrar Altas concentraciones iniciales de nutrientes. Tales valores altos pueden no ser posibles, Ya sea debido a la inhibición del sustrato, no se observa a concentraciones más bajas, o Debido a las bajas solubilidades de los sustratos; Sin embargo algunos procesos son sólo Económicamente atractivo si son posibles altas concentraciones celulares. Suzuki et al (49) produjeron concentraciones de células de levadura superiores a 150 g / l utilizando una alimentación de Todos los nutrientes. Controlaron la alimentación de sustrato (etanol) usando un Teflon poroso Sensor de tubería y un control de pH para su fuente de nitrógeno. Un equilibrio de

masas, Se utilizó el principio para preparar y alimentar una solución de sales combinadas a una velocidad ligada A la alimentación de etanol o amoniaco. El monitoreo de la concentración de etanol fue Utilizado por Huang y Chu (21) para alimentar etanol para Candida utilis, obteniendo Concentraciones celulares de 64 g / l. Se superó un problema de insolubilidad del sustrato Por Rodríguez y Enríquez (42) para obtener rendimientos de 19,9 g / l de Cellulomonas sobre Bagazo de caña de azúcar REPRESIÓN CATABOLITA Si un organismo está utilizando una fuente de energía de carbono rápidamente metabolizable tal como Glucosa, la disminución resultante en la concentración de AMP cíclico intracelular causa Enzima biosíntesis para cesar. Este fenómeno se conoce como represión catabólica. Los procesos de lotes de Fed, limitando la tasa de crecimiento debido a la alimentación Fuente de carbono, despresurizar la formación de los productos deseados. Donde el La medición directa de las tasas de crecimiento específico o de las concentraciones Difícil, las correlaciones indirectas tienen que ser utilizadas para los propósitos del control. Los Una de las más comunes es la producción de antibióticos como la penicilina. Para crear una estrategia de control para la adición de azúcar en la producción de penicilina, Tanto la concentración celular como la velocidad de crecimiento BlaSt sean conocidas. Sin embargo, continua La medición de glucosa en el medio es difícil y por lo tanto una técnica de Equilibrio bajo condiciones limitadas de carbono ha sido desarrollado por Mou y Cooney (30, 31). Inicialmente, se utilizó la tasa de evolución del dióxido de carbono (CER) para calcular La tasa de crecimiento y el dióxido de carbono total evolucionado se encontró para dar una precisión Estimación de la cantidad de celio presente. Su estrategia de control adaptativo Permitió la adición de carbono para controlar la tasa de crecimiento hasta que el deseado Se obtuvo la concentración celular. En ese momento, la fase de producción fue Iniciado por la alimentación lenta, controlado por una estimación de la tasa de crecimiento específico Y un valor de la concentración de células obtenida por el efecto global e instantáneo Balanzas de carbono. Nestaas y Wang (33, 34, 35, 36) utilizaron una filtración on-llne Sonda para caracterizar la acumulación y degradación de la blomassa celular Cuantitativamente y fueron capaces de correlacionar la densidad k Síntesis de penicilina (35). Esto se conVidió entonces con una alimentación predeterminada Para optimizar la síntesis de penicilina (35, 36). La sonda proporcionó Sistema de control de retroalimentación para manipular el perfil de alimentación de Calculado a partir de un modelo matemático. Nelligan y Calum (37) utilizaron un Sistema de control anticipatorio que mide la producción de dióxido de carbono en lugar de Carbono, y fueron capaces de obtener una buena correlación con sus predicciones Comportamiento utilizando un micro-coR ~ uter para controlar a condiciones óptimas. Trabajo anterior Sobre la producción de penicilina se encuentra en la tabla de Yamane y Shimizu en su Alimentadas por lotes (5 g). Otra área de interés reciente en el que la represión catabollte ct que superar es en La producción de celulasa usando fermentación por lotes alimentados (1, 16, 17, 19, 20, 26). Esta técnica ha demostrado producir concentraciones de enzima más altas que Trabajo previo en cultivo discontinuo o continuo. McLean y Podruzny (26) cita Productos hasta 160 U.FPA / L / h utilizando alimentación intermitente de Solkafloc, y También la ventaja de agitación y aireación más fácil debido a la menor Densidades medias que en el crecimiento discontinuo. Hendy et al (19, 20) utilizaron un método continuo En lugar de la alimentación intermitente de Solkafloc y citó una productividad máxima de 247 U./L/h a una velocidad de adición de 2,5 g de celulosa / h. Recientemente se ha trabajado en la producción de tilosina por Streptonlyces Fradlae, en la que Vu-Trong y Gray (51) encontraron mejores rendimientos Previo obtenido utilizando una velocidad de alimentación constante (52, 53) alimentando tanto glucosa Y glutamato monosódico de una manera cíclica. La producción de L-lisina por CoKynebacterlum ~ luta ~ cum, usando un medio co-lexal basado en la glucosa, también ha (44) y la producción exitosa de cefalosporina C Cephalosporium acre monium, utilizando una alimentación constante de glucosa y metionina EFECTO DE GLUCOSA O CRABTREE Se sabe desde hace mucho tiempo que en el cultivo de la levadura de panadería Es una concentración crítica de glucosa por encima de la cual el sustrato es partlally Metabólico en etanol, incluso en presencia de suficiente oxígeno disus-

Mantener el metabolismo aeróbico. Este fenonemon se conoce como la glucosa o Crabtree Efecto y el uso del cultivo alimentado por lotes para evitar este efecto ha sido Investigado La concentración crítica en la que el metabolismo parcial al etanol (55), que oscila entre 0,02 y 0,85 mM. Tiene Se ha sugerido que estas variaciones se deben a diferencias en las cepas de levadura O sus condiciones fisiológicas. Los sustratos normales utilizados en la industria son Melaza de remolacha o de caña y la coexistencia de los azúcares junto con la falta de Sensores de sustratos directos en línea ha dado como resultado que el trabajo De modelos predictivos y parámetros de control indirectos. Obra reciente de Dekker (5) El análisis de gases de escape para calcular la tasa de absorción de oxígeno (OUR) y la Tasa de evolución del dióxido de carbono (CER). Utilizando un modelo de diseño de dos celdas Y los modelos de equilibrio estético y de estado simple para la biomasa y la biomasa Producción, genera las ecuaciones de salida para las variables de estado, y Por lo tanto, una estimación de los valores de las variables de proceso usando matemáticas Técnicas de filtrado. Estos valores se pueden utilizar para calcular las tasas óptimas de control para el substrato de alimentación (6, 7) Otro método analítico desarrollado en Japón es el uso de un tubo poroso de Teflón Para controlar la concentración de etanol en el medio y utilizar este parámetro para Control de retroalimentación (2, 3). Nomba et al (32) utilizaron la concentración de gas de escape de etanol Para retroalimentar el suministro de glucosa que estaba controlado inicialmente por una masa Modelo de equilibrio. Un "sistema de control avanzado" fue desarrollado por Dalraku et al (2,3) usando la concentración de etanol medida y una combinación de un PID (Proporcional-integral-derivado) y un modelo matemático simple para Permiten el autoajuste con mayor concentración celular. Este informe afirma bien Control, el modelo que proporciona la estimación inicial de la tasa de alimentación exponencial Y el control PID para compensar los errores causados por perturbaciones del sistema O incertidumbres en el modelo. OTROS SISTEMAS DE LOTES DE FED Con el reciente aumento en el trabajo sobre cultivos celulares de plantas, Dalton (4) Aumento de la tasa de producción específica de clorofila total y mayor potencial La fotosíntesis mediante el uso de un cultivo alimentado con glucosa sobre un cultivo discontinuo puro de Oclmum basllicum. Un mejorado Producción de Cromatóforos de Rhodosplrllllum rubrum fue obtenido por Smeds y Enfors (47) mediante el Intensidad de luz durante el transcurso del lote, que denominan lote alimentado. Horl et al (29) produjeron altas concentraciones de sorbosa de sorbltol usando Alimentación intermitente de sorbltol a Glucanobacter subox ~ dans con DO-stat Control, obteniendo una concentración de 628 g / l de sorbosa después de 48 horas. Fond et al (11, 12) han investigado la fermentación acetona-butanol con Alimentación de glucosa, x ~ pérdida o piensos mixtos sobre un rango de tasas de alimentación. Ellos La conversión final de azúcares en disolventes siempre aumentó con un Aumento de la tasa de alimentación. Un estudio de la producción de etanol de Xylose por Pacl-ysolen. Tannophtlus por Woods y Htllts (56) mostraron un rendimiento mejorado de etanol hasta 0,41 g / 9 ó 80 ~ De la teoría mediante el uso de la alimentación lenta de xilosa, para dar una xilosa óptima Concentración de 5 a 8 g / l. Las concentraciones de más de 10 g / l causaron ~ ylttol Acumulación, mientras que por debajo de 3 g / l el etanol se oxtdtsed a acetato. Jefferles Et al (2Z) utilizaron la alimentación interrumpida de glucosa para inhibir la respiración de Etanol producido por Pacholon tannophylus a partir de xilosa, y aumentó su Etanol de 0,28 g / g a más de 0,41 g / g. Koshtmtzu et al (24) examinaron la fermentación por lotes de melaza Saccharoces cerevisiae, tal como se utiliza comercialmente por las plantas brasileñas de etanol, Con el fin de cuantificar el efecto del inóculo, la concentración de alimento y la Alimentación CONTROL DE LAS TÉCNICAS DE LOTE DE FED Como se ha indicado anteriormente, los sistemas de control para las operaciones alimentadas por lotes pueden dividirse en Dos grupos, aquellos con y sin control de retroalimentación. Cuando no hay Se utiliza el mecanismo de control de retroalimentación, se cambia la velocidad de alimentación Un perfil predeterminado, que Yamane (59) ha clasificado como intermitente, Constante, exponencialmente creciente (38), óptimo u otros. Si esta alimentación El perfil se utiliza para controlar el crecimiento de los microorganismos, luego se El modelo matemático del proceso se utiliza generalmente para describir este perfil. Los Modelos se generan específicamente para proporcionar una base para el control y pueden

Dividido en estructuras no estructuradas (fenomenológicas) o estructuradas (mecanicistas) Descripciones del proceso. Los modelos no estructurados se utilizan para describir Las respuestas microbianas observadas, y no permiten cambios en la composición celular como Los actos metabólicos cambian. Por otro lado, los modelos estructurados Permiten los mecanismos celulares que afectan al proceso global. Una variedad de Estructuras y grados de complejidad disponibles. Ofrecen la posibilidad de Predecir con precisión los efectos de las perturbaciones en el proceso global. Las desventajas incluyen las dificultades para determinar las constantes cinéticas y En la resolución de grandes números de ecuaciones. Sin embargo, los modelos estructurados son Haciéndose más prominente en la operación de biorreactores controlados por computadora. Revisión general exhaustiva tanto de las estructuras no estructuradas (g, 10, 39, 59) como estructuradas Modelos están disponibles (18, 25, 39, 59). Cuando el control de retroalimentación está disponible para la operación de alimentación por lotes, opera idealmente Con una señal directa tal como la concentración del sustrato de alimentación en el medio. Alternativamente, es posible un control indirecto de retroalimentación Parámetro observable que puede correlacionarse con la tasa de alimentación deseada es Controlados. Una estrategia de control de retroalimentación directa es mejor que cualquier otro procedimiento Para minimizar las desviaciones, pero la falta de sensores adecuados ha limitado el trabajo en esta área. Un sistema directo que ha sido utilizado por Yamene (57, 58) es el Teflón Tubo sensor de etanol para controlar la adición de etanol como única fuente de carbono A un medio de sales para el cultivo de levadura. El sensor fue el desarrollado por Dalraku et al. (2, 3). Ghoul et al (15) han desarrollado un muestreador automático que Que se utiliza con un auto-analizador de glucosa para controlar una alimentación de glucosa a una levadura Alimentada por lotes. Su sistema sería adecuado para otras aplicaciones en línea Mediciones según sea necesario La mst situación común hasta la fecha ha sido el uso de mediciones indirectas control de retroalimentación. Se han utilizado varios parámetros, como el oxígeno disuelto (DO), cociente respiratorio (RQ), y el análisis de gases de escape para calcular NUESTRO y CER. Como estos son parámetros indirectos, la correlación matemática con el Se debe conocer el metabolismo de los organismos y la absorción del sustrato. Usos actuales del trabajo Algoritmos adaptativos y técnicas de filtrado de Kalman (8, 13, 14, 23, 28, 40, 45, 48) para obtener correlaciones significativas. A menudo, el perfil de alimentación es controlado por El modelo directamente en un modo de avance, y el control de retroalimentación se utiliza entonces Para fines de corrección. Renard et al (41) han empleado una medida del óvulo disuelto para La alimentación controlada por computadora del metanol en respuesta a una caída en DO. sin embargo Trabajo más reciente tiende a controlar este tipo de alimentación del sustrato manteniendo El nivel de DO en un set-point (DO-star). La producción de sorbitol por Mori et al (29) utilizaron esta técnica Los gases de escape de un biorreactor se usan normalmente para calcular el OUR y el CER, Y de éstos el RQ. El RQ se utiliza ampliamente como parámetro de control en Producción de levadura de panadería, ya que los cuatro tipos de metabolismo de levadura El nivel del RQ (55) y el RQ muestra una respuesta rápida a los cambios metabolismo. Dekker y Voetter (7) han desarrollado dos controladores adaptativos para La regulación del RQ. Una se basa en el sistema modelo de dos compartimentos (5), Y el otro es un controlador de autoajuste. Ambos sistemas usan el NUESTRO como Un parámetro de control de retroalimentación del bucle interno. El método de equilibrio de masa de Mou y Cooney (30, 31) para controlar la alimentación de glucosa para la producción de penicilina también Se basa en una medición exacta del CER junto con las tasas de glucosa adición. En la fase de crecimiento, se encontró que el CER era un buen indicador de la célula Tasa de crecimiento y dióxido de carbono total evolucionado permitió una estimación de micelio presente. La estrategia de control adaptativo agrega suficiente carbono para Deseada, pero no sobrealimenta. A la concentración celular deseada, Menores tasas de crecimiento se logran mediante la reducción de las tasas de Los balances instantáneos de carbono permiten el cálculo del crecimiento celular específico tarifa.

La concentración de dióxido de carbono en el gas de salida resultó ser un buen indicador de El crecimiento de Trlchoderma reesei utilizando la celulosa como sustrato principal y Alimentando celloblose para controlar la tasa de crecimiento específica. Wakl et al (54) usaron un Tiempo establecido para la concentración de dióxido de carbono en el gas de salida Control de la alimentación de la celloblose, el control del pH también se ha utilizado para la alimentación Control. Esto es posible cuando la utillsación de un medio particular Componente provoca una desviación del pH desde un punto de consigna. Gottvaldova et al. (16) Utilizó esta técnica para controlar una alimentación doble de carbono y nitrógeno para lograr Aumento de la producción de celulosa por Trichoderma viride. Una técnica adicional que Es posible requiere que un motabolito medible sea producido por el microbiano actividad. Este enfoque se ha utilizado para controlar la fermentación de la levadura de Bakers La producción de etanol es detectable en el medio usando el Teflon (2,3) o indirectamente por el vapor de etanol en el gas de salida (32). Los Principal limitación actual en el uso del control de retroalimentación directa es la Sensores que pueden detectar químicos específicos en el medio fermentador. Trabajo actual Biosensores (50) que responden a productos químicos específicos ofrece la posibilidad de Mayor aumento en la aplicación del control de retroalimentación en la fermentación tecnología. CONCLUSIONES La operación de la Fed-batch se está moviendo rápidamente de un procedimiento empírico a uno basado Sobre modelos cinéticos y técnicas avanzadas de control. Un número creciente de Procesos se están operando de esta manera. Los avances en las aplicaciones informáticas permiten Procedimientos de optimización para ser examinados fuera de línea y control en línea de la computadora El uso del control feed-forward y feed-back se está convirtiendo en una práctica común. UN La principal limitación a la aplicación ulterior del control de retroalimentación surge de la De los sensores disponibles en línea