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Producción mejorada de Cefalosporina C usando sulfato amónico combinado con la estrategia de alimentación basada en aceite de soja.

Shengbing Duana, Guoqiang Yuanb, Yanli Zhaob, Hongfei Li b, Weijia Nia, Meina Sanga, Liming Liua, Zhongping Shi.

Biochemical Engeneering Journal

La Cefalosporina C(CPC) es un antibiótico β-lactámico ampliamente utilizado. Este tipo de antibióticos está reconocido por la presencia de un anillo betalactámico.

Actúan impidiendo la síntesis de peptidoglicano,componente fundamental de las paredes bacterianas, al inhibir la actividad de una enzima transpeptidasa. La función de ésta es realizar enlaces cruzados en la formación de las cadenas que constituyen el peptidoglicano, por lo que en su ausencia la bacteria acaba perdiendo la pared celular, se lisa y muere.

Estructura química de la Cefalosporina C.

Las cefalosporinas son producidas por varios Streptomyces spp. y hongos filamentosos, entre ellos cabe destacar Acremoniumchrysogenum el cual será nuestro objeto de estudio.

Micelios de Acremonium chrysogenum.

Para la fermentación de CPC se deben controlar principalmente dos fuentes de alimentación: una que aporte nitrógeno y otra que aporte carbono: 

Se usan fuentes de nitrógeno orgánico como (NH4)2SO4 que aporta N para la síntesis de células y S para sintetizar CPC. Como fuentes de carbono es usual el empleo de aceite de soja.

En el proceso de fermentación también tendremos en cuenta la cantidad de oxígeno disuelto (DO). Por último, cabe mencionar la formación de subproductos como de acetoxicefalosporina C (DAOC). Éste será el mayor inconveniente que presenta este proceso de fermentación debido a que es muy difícil separarlo del producto de interés por su peso y estructura, además de que aparece en grandes cantidades.

Por lo tanto, podemos concluir que el objetivo de éste experimento es encontrar una nueva estrategia de alimentación para las hongos, acoplando la nutrición por (NH4)2SO4 y aceite de soja, minimizando los problemas anteriormente comentados. Con esto, obtendríamos un prototipo para la producción de CPC a gran escala.

Estrategias empleadas para el uso de las distintas fuentes de alimentación y análisis de los datos:

Para el empleo de (NH4)2SO4 como fuente de N se estudiaron dos posibilidades:

1. Acoplamiento con agua amoniacal (NH₄OH) para la regulación del pH.

2. Acoplamiento con aceite de soja.

Se concluyó que con el segundo tipo de acoplamiento se aprovechaban más las cantidades de (NH4)2SO4 ya que ésta fuente comenzaba a utilizarse inmediatamente cuando había un aporte previo de aceite de soja.

Una vez determinado el acoplamiento de (NH4)2SO4 con aceite de soja se estudiaron las estrategias a seguir para ésta, a saber:

a) Incorporación intermitente.

b) Incorporación continua.

c) Incorporación basada en métodos DO-Stat (método tradicional y empleando aire enriquecido en O2).

Realizados los diversos experimentos, se analizaron las cantidades de diversos productos de interés para el cálculo del rendimiento del proceso de fermentación (NH4 + N, CPC, DAOC...) mediante diversos métodos tales como centrifugaciones, espectroscopías y cromatografías.

Aparato que realiza cromatografias de alta afinidad empleado para medir concentraciones de CPC, DAOC y aminoácidos.

Espectrofotómetro empleado para medir concentraciones de NH4 + N  entre otros.

Resultados obtenidos

Se llegó a la conclusión de que un requisito para la producción normal de CPC y el logro de una diferenciación normal de micelio solo se podía obtene mediante el método DO-Stat, ya citado. De esta forma se obtiene un mantenimiento  de más del 15% en DO durante el proceso fermentativo, un aumento en la diferenciación de micelios y una concentración definitiva de CPC de 36,48g/L.

Visualización del desarrollo de los micelos de A. chrysogenum bajo las dos estrategias empleadas.

Dentro de dicha estrategia podemos descartar los siguientes tipos debido a los resultados obtenidos en los experimentos realizados:

a) Estrategia de incorporación intermitente: No es buena opción para la producción de CPC debido a la dañina subproducción de DAOC que fue acumulada.

b) Estrategia de incorporación continua: No es buena opción para la producción de CPC debido a la dañina subproducción de DAOC que fue acumulada.

c) Estrategia tradicional DO-Stat: En esta opción la alimentación de aceite de soja es limitado y provoca la obtención de una concentración final CPC menor.

Tasas específicas de consumo de aceite de soja (A); Crecimiento celular (B); Síntesis de CPC (C); Acumulación de DAOC bajo las diferentes estrategias empleadas (D).

Una vez descartados estos tipos, llegamos a la conclusión de que la mejor opción dentro de la estrategia de la alimentación con sulfato de amonio y la adición de aceite de soja es la estrategia DO-Stat ¿pero cuál de ellas?

Ampliando la estrategia DO-Stat:

Comparación de las estrategias Do-Stat tradicional (C) y DO-Stat Modificada (D)

La alimentación de aceite de soja compromete a la concentración de CPC, la calidad del producto, el coste y la seguridad, ya que cuando aumenta su consumo aumenta a su vez la concentración de DAOC y el requerimiento de oxígeno.

Para solventar esto, se bajó la frecuencia de alimentación, la velocidad y el límite superior de DO para aliviar la disminución de alimentación de aceite de soja. En este caso, la acumulación de DAOC y el coste se alivia, pero la concentración final CPC bajó.

Finalmente, se adoptó la estrategia DO-Stat modificada para la alimentación de aceite de soja, ahora utilizando aire enriquecido con O2 para la aireación.

Esta estrategia cumple los siguientes requisitos característicos para una buena fermentación CPC:

• Mejora la eficacia de la tasa de alimentación de aceite de soja sin tener que bajar el límite de DO.
• Obtención de una mayor concentración final de CPC.
• Una menor acumulación de DAOC.
• Rendimiento CPC más alto.
• Oxígeno/fuentes de alimentación suaves.
• Altas tasas de consumo de aceite de soja.
• Mayor crecimiento. 

Conclusiones obtenidas

• La diferenciación normal de los micelios de A. chrysogenum es imprescindible para la producción de CPC. Para garantizar esto, se le añade sulfato de amonio y aceite de soja  como alimento.

• El método DO-Stat para la alimentación con aceite de soja y el uso de aire enriquecido con O2 para la aireación fue la operación óptima en cuanto a estrategias de alimentación.

• El análisis metabólico reveló que una distribución de flujo de carbono debilitado en el TCA reduce la acumulación de DAOC.

Bibliografía.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0922338X91903006

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2565971/

http://es.slideshare.net/cheless54/monografia-cefalosporinas