"Continuous fermentation of clarified corn stover hydrolysate for the production of lactic acid at high yield and productivity".

El ácido láctico es un compuesto químico muy utilizado hoy en día como conservante y acidulante en la industria alimentaria, pero también en la industria química como solubilizante y agente controlador del pH. Además, su forma polimérica (ácido poliláctico o PLA) puede utilizarse para la producción de plásticos biodegradables, el desarrollo de sistemas de suministro de medicamentos, suturas quirúrgicas,  o incluso para la creación de productos de consumo desechables. De hecho, se espera que la demanda del ácido láctico aumente significativamente como consecuencia del incremento en el interés por el ácido poliláctico, tal y como podemos observar en las siguientes gráficas:

Comparación del acido láctico y del poliláctico. Fuente

Aunque la obtención industrial de ácido láctico se inició hace más de 100 años, las numerosas aplicaciones que hemos nombrado hacen que la investigación siga activa y se busque una mejora del proceso y una disminución de los costes. Para ello un factor importante es utilizar sustratos más baratos (como la biomasa lignocelulósica); pero también microorganismos más eficientes. Ésta biomasa lignocelulósica puede separarse en sus componentes, lignina, celulosa y hemicelulosa, que tienen diversos usos para la obtención de bioelectricidad, de biofuel y bioproductos derivados del ácido láctico.

Usos de la lignocelulosa. Fuente

Generalmente, se produce gracias a la fermentación microbiana de almidón o azúcares con rendimientos de más del 90% en comparación con el rendimiento teórico. Sin embargo, nosotros vamos a hablar de su producción a partir de fuentes renovables, como la biomasa lignocelulósica, que a parte de eliminar la competencia con alimentos o piensos y ser una alternativa barata, ayudaría a disminuir la huella de carbono.

La mayoría de las bacterias del ácido láctico conocidas actualmente requieren esterilidad, no son capaces de convertir pentosas, y se inhiben con la presencia de productos de la degradación de azúcares como el furfural, ácido acético, o HMF.  Además, la producción está limitada al uso de cultivos puros que requieren costosos sistemas de reactores, en condiciones de alta esterilidad, y con el uso de materias primas de azúcares muy puras. Por ello, se han buscado en éste estudio microorganismos más eficientes, como es el caso de Bacillus coagulans (estirpe AD), una bacteria ácido láctica esporogénica y homofermentativa, que crece bien en biomasa lignocelulósica hidrolizada y utiliza azúcares de 5 y 6 carbonos para la producción de ácido láctico. El objetivo que se persigue es el de “Evaluar la productividad y el rendimiento de la producción contínua de ácido láctico, utilizando un cultivo aislado de Bacillus coagulans (estirpe AD)”, para lo cual se ha planteado la siguiente hipótesis: “Producir ácido láctico con un alto rendimiento a partir de biomasa lignocelulósica en condiciones no estériles, de forma que se puedan abaratar los costes del proceso de producción”.

Las bacterias del ácido láctico se utilizan para la conversión de los azúcares de varias fuentes, incluyendo la biomasa. Sin embargo, ésta deberá ser pretratada de forma que se destruya su estructura y se liberen los azúcares que serán el verdadero sustrato de los microorganismos. Tradicionalmente, los pretratamientos de biomasa lignocelulósica se acompañan de la adición de productos químicos tales como ácidos minerales o base, lo que afectará a la separación y purificación del producto final, así como un coste adicional. Éstos procesos de pretratamiento suelen dar lugar a grandes cantidades de productos de la degradación de azúcares tales como furfural y 5-(hidroximetil)furfural (HMF) que se consideran potenciales inhibidores de la fermentación para los productores de ácido láctico. Para evitarlos, una buena opción es recurrir a una explosión húmeda con posterior hidrólisis enzimática. Además, fue fue suplementado con 2% wt licor de maíz fermentado.

Una vez se tenía preparado el medio de cultivo y elegido el inóculo, se introdujeron en un fermentador continuo, el cual operaba en condiciones de anaerobios y estaba en agitación continua. El hecho de que se haya elegido este sistema y no otro es porque, tal y como se había descrito en otros estudios previos, la fermentación continua conlleva una mejor productividad en la obtención de lactato, ya que la inhibición por acumulación de productos de la degradación de azúcares es mínima. Es importante recalcar que antes de empezar el experimento se esterilizó el biorreactor con una solución de etanol al 70%, para evitar cualquier tipo de contaminación proveniente de un uso anterior.

Para poder optimizar el proceso, se instalaron sistemas de control del pH, temperatura, de la concentración de nutrientes y de regulación de la velocidad de dilución. La composición del efluente era analizada cada cierto tiempo, mediante una cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC), de tal forma que cuando se variaban los factores anteriormente mencionados, se representaban los datos recogidos en gráficas para poder estudiar cómo variaba la productividad y el rendimiento.

De todas las combinaciones realizadas, las más óptimas resultaron ser un pH de 6.0, temperatura de 50ºC y una velocidad de dilución 0.167h-1. Con ello, se consiguió alcanzar un rendimiento de 0.95 g de azúcares y una productividad de 3.69 g/L/h.

Estos factores La velocidad de dilución influye en la productividad  de forma directamente proporcional, es decir, si aumentamos la velocidad de dilución (DR), aumentará también la productividad. Sin embargo, no se observa  ya que al disminuir esta el rendimiento disminuye consecutivamente y sin embargo no hay una relación clara con el rendimiento. Lo que sí que está claro es que el rendimiento a una velocidad de dilución baja es ligeramente inferior cuando lo comparas con el correspondiente a una DR alta. Se cree que esto es una consecuencia directa del tiempo de residencia en el tanque de fermentación, cuanto más se alargue dicho tiempo habrá una mayor acumulación de productos que inhiban el crecimiento microbiano.

Metabolismo homolactico vs Metabolismo heteroláctico. Fuente

Esto parece contradictorio con estudios previos, pero es que en esos casos utilizaban bacterias con un metabolismo heteroláctico (B.coagulans estirpe TB/03), sin embargo, B.coagulans estirpe AD posee un metabolismo homoláctico. La principal diferencia entre ambos tipos de es que en el homoláctico se obtienen dos lactatos por molécula de glucosa, mientras que con el heteroláctico se obtiene un lactato, un etanol y un CO2 por molécula de glucosa.

En cuanto al pH se observa que al igual que la velocidad de dilución influye en la productividad de forma directamente proporcional. En el rendimiento tampoco se observan cambios significativos, pero sí un cierto aumento con el incremento de pH. Este factor es importante puesto que pequeños cambios tendrán un efecto en el metabolismo que influirá en la productividad.

Todos esto es contradictorio a estudios previos, que afirmaban que no había cambios significativos en el rendimiento y la productividad como consecuencia de los cambios en el pH y DR. En el hidrolizado de rastrojo de maíz que se utilizaba como fuente de alimento en el medio de cultivo había azúcares de 5 carbonos como la xilosa y de 6. Pues bien, la explicación se podría encontrar en el consumo de dichas pentosas. Para ello se estudió el efecto combinado del pH y de la velocidad de dilución en el consumo del hidrolizado de rastrojo de maíz.

Manteniendo el pH constante a 6.0 que como se había visto era lo ideal, y a una temperatura de 50ºC se vió cómo variaba la conversión de dichos azúcares al aumentar la DR. Con respecto a la glucosa no se vió ningún efecto, pero en la xilosa sí se observó una disminución. Como resultado de ello, el lactato producido disminuyó desde 35.2 g/L a una velocidad de dilución de 0.02 h-1 hasta 22.3 g/L a una DR de 1.67 h-1 . Para mejorar este consumo, lo que se hizo fue mantener las condiciones constantes a un pH de 5.5 y una DR de 0.01 h-1 y cuando se estabilizaron las concentraciones, se cambió bruscamente el pH a 6.0 y la velocidad de dilución a 0.02  h-1 . Esto provocó un cambio inmediato en el consumo tanto de glucosa y de xilosa para producir lactato. Es más, las concentraciones de los azúcares rozaron los 0 g/L mientras que la concentración de lactato rondaba los 42 g/L. Este efecto se atribuye a la adaptación de las bacterias a las nuevas condiciones fermentativas que traen consigo un aumento de la cinética bioquímica.

Para finalizar, la siguiente tabla recoge las condiciones en las que se ha conseguido obtener el máximo rendimiento y la máxima productividad.

Condiciones de máximo rendimiento y productividad. Fuente

Bibliografia:

Continuous fermentation of clarified corn stover hydrolysate for the production of lactic acid at high yield and productivity 

Birgitte K. Ahring, Joseph J. Traverso, Nanditha Murali, Keerthi Srinivas.

Biochemical Engineering Journal (Impact Factor: 2.47). 01/2016; 109(109):162-169. DOI: 10.1016/j.bej.2016.01.012

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Amylolytic+bacterial+lactic+acid+fermentation+%E2%80%94+A+review

Grupo:

Isabel María Maestre Pérez

Silvia Morata Pérez

Iván López González

Sonia Marhuenda Castillo

Esther Barceló García