Producción de conidios de Metarhizium robertsii en biorreactores de fermentación en medio sólido de escala laboratorio a piloto Public Deposited
Entomopathogenic fungi of the genus Metarhizium are important biological control agents. Regularly, the conidia of these fungi are produced in bag bioreactors that have limited capacity (1 kg of the substrate) and difficulties in monitoring and controlling culture conditions. Therefore, this type of process presents important variations in production, productivity, and quality of conidia which together with the high requirements of labor and area affect the viability of the process and the successful commercialization of the product. The limitations of the process make evident the need to establish new controlled processes that operate on a larger scale and allow obtaining high concentrations of conidia. For this reason, in this project, the production of conidia in bioreactors with different aeration mechanisms, as well as different operating conditions, was evaluated. Once the type of bioreactor and its operating conditions were selected, the manufacturing material of the experimental units was selected, and heat and mass transfer balances were made to estimate their dimensions. Finally, strategies were evaluated to improve the structure of the solid matrix (mechanical agitation and addition of texturizers), heat removal, microorganism growth, and conidia production. The packed column bioreactor with forced aeration was selected because it achieves productivity of viable conidia up to 1.8 times greater than that obtained with bag and tray bioreactors. In packed columns, heat removal by convective mechanisms allows maintaining a temperature ≤33 °C in the first 30 cm of height, which favors the growth and production of conidia of Metarhizium robertsii (Xoch 8.1). However, the increase in the diameter of the column significantly increases the packed density (up to 0.84 g/cm³ from 10 cm in diameter), hindering the transport of heat and mass, affecting, in turn, the microorganism growth and its conidia production. To avoid this phenomenon, the addition of plastic spherical packing to the culture bed improved the structure of the solid matrix (decreasing the packed density), gas exchange, and heat removal. The above allows reaching a conidia production (1.23 × 10⁹ conidia/gdm) similar to those obtained in laboratory-scale bioreactors (from 1.23 to 1.44 × 10⁹ conidia/gdm) was obtained. Under the conditions tested, the packed column bioreactor can reach an operating volume of 47.71 L (∼25 kgdm) to produce ∼3.1 × 10¹³ conidia per batch. This packed column could form part of a modular bioreactor that operates in an industrially controlled process, with higher production yields and lower labor and area requirements than the traditional bag bioreactor process.
Los hongos entomopatógenos del género Metarhizium son importantes agentes de control biológico. Regularmente, los conidios de estos hongos se producen en biorreactores de bolsa que presentan una capacidad limitada (1 kg de sustrato) y dificultades para el monitoreo y control de las condiciones de cultivo. Por lo que, este tipo de proceso presenta importantes variaciones de producción, productividad y calidad de conidios, lo que junto a los altos requerimientos de mano de obra y área de planta afectan a la viabilidad del proceso y la comercialización exitosa del producto. Las limitantes del proceso hacen evidente la necesidad de establecer nuevos procesos controlados que operen a mayor escala y permitan obtener altas concentraciones de conidios. Por ello, en este proyecto se evaluó la producción de conidios en biorreactores con diferentes mecanismos de aireación, así como, diversas condiciones de operación. Una vez seleccionado el tipo de biorreactor y sus condiciones de operación, se seleccionó el material de fabricación de las unidades experimentales y se realizaron balances de transferencia de calor y masa para estimar sus dimensiones. Finalmente, se evaluaron estrategias para mejorar la estructura de la matriz sólida (agitación mecánica y adición de texturizantes), la remoción de calor, el desarrollo del microorganismo y la producción de conidios. Se seleccionó el biorreactor de columna empacada con aireación forzada debido a que en él se alcanza una productividad de conidios viables hasta 1.8 veces mayor que la obtenida los biorreactores de bolsa y charolas. En las columnas empacadas, la remoción de calor por mecanismos convectivos permite mantener una temperatura ≤33 °C en los primeros 30 cm de altura; la cual, favorece al desarrollo y la producción de conidios de Metarhizium robertsii (Xoch 8.1). No obstante, el incremento del diámetro de la columna aumenta sensiblemente la densidad del empaque (hasta 0.84 g/cm³ a partir de los 10 cm de diámetro), dificultando el transporte de calor y masa, afectando, a su vez, al desarrollo del microorganismo y su producción de conidios. Para evitar este fenómeno, la adición de empaques esféricos de plástico al lecho de cultivo mejoró la estructura de la matriz sólida (disminuyendo su densidad), el intercambio gaseoso y la remoción de calor; con ello, se obtuvo una producción de conidios (1.23 × 10⁹ conidios/gms) similar a la obtenida en biorreactores de escala laboratorio (de 1.23 a 1.44 × 10⁹ conidios/gms). Bajo las condiciones evaluadas, se estima que el biorreactor de columna empacada puede alcanzar un volumen de operación de 47.71 L (∼25 kgms) para producir ∼3.1 × 10¹³ conidios por lote. Esta columna empacada podría formar parte de un biorreactor modular que opere en un proceso controlado a nivel industrial, con mayores rendimientos de producción y, menores requerimientos de mano de obra y área de planta que el proceso tradicional en biorreactores de bolsa.
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