Las bacterias productoras de PHA acumulan PHA dentro de su célula. Para estas bacterias, el PHA sirve como reservas de carbono y energía. De manera similar, los humanos almacenan glucógeno y grasa. Sin embargo, estas bacterias solo producen PHA cuando se requiere que lo hagan. Por lo tanto, la biotecnología de la producción de PHA radica en la creación de las condiciones que inducen una producción óptima de PHA.
Dependiendo del tipo de proceso, las bacterias productoras de PHA se aíslan o se cultivan a partir de una fuente natural. Las bacterias se cultivan para crecer hasta su etapa logarítmica y estacionaria, después de lo cual las células se transfieren a un medio diferente o las condiciones en el biorreactor se ajustan para estimular la producción de PHA. Estos se llevan a cabo en sistemas por lotes o por lotes alimentados a escala industrial. El tiempo total es de alrededor de 24-72 horas en promedio, después de lo cual la célula puede acumular alrededor del 52% – 90% de PHA por peso seco.
La siguiente etapa es eliminar las bacterias de la suspensión media para extraer el PHA. En la mayoría de los casos, el PHA se produce dentro de la célula bacteriana, por lo tanto, la lisis celular se lleva a cabo para abrir la célula y extraer el PHA acumulado. Luego siguen las etapas de recuperación, separación y purificación.
El PHA se puede obtener de bacterias utilizando cultivo puro o mixto.
La Tabla 1 resume la diferencia entre los dos.
| Cultivo Mixta | Cultivo Puro |
| – Se requiere un sustrato de alta pureza, principalmente glucosa. |
| – Se pueden utilizar extremófilos como halófilos y termófilos para reducir la posibilidad de contaminación. |
| – Rendimiento relativamente menor por peso seco de células bacterianas, pero mayor densidad celular. |
| – El producto es más homogéneo debido a la uniformidad del sustrato. |
| – Las bacterias se aíslan e ingenian para una producción óptima de PHA. |
| – Lote alimentado (Fed-batch). |
| – El crecimiento microbiano ocurre en una etapa separada. |
Tabla 1. Comparación de la producción de PHA de cultivo mixto y cultivo puro
Esto es más ampliamente utilizado en la producción industrial de PHA. Sin embargo, el costo de producción es relativamente alto. Esto se debe en parte a la necesidad de sustratos de alta pureza que pueden sumar alrededor del 45% del costo total de producción.
El cultivo de bacterias puras se aísla de diferentes ambientes. Luego se proporcionan las condiciones adecuadas para cultivarlos en fermentadores para promover la producción de PHA. Este método se centra en identificar una bacteria productora de PHA y diseñar las bacterias para una producción óptima de PHA.
Las especies más utilizadas en la producción industrial de PHA son Alcaligenes latus Cupriavidus necator y Pseudomonas putida. Otros incluyen Paracoccus dentrificans, Pseudomonas aeruginosa y Bacillus megaterrium.
El tipo de productor de PHA de bacterias empleado depende del tipo de materia prima disponible como medio de cultivo. Por ejemplo, Alcaligenes latus produce PHA de manera óptima en medios de cultivo ricos en carbono y nutrientes, mientras que Cupriavidus necator es más adecuado para medios de cultivo bajos en nutrientes esenciales para el crecimiento como nitrógeno y fósforo. También depende de si se está utilizando una mezcla de cultura pura como se discute en las siguientes secciones.
Saccharophagus degradan, es una especie de bacteria marina que son capaces de degradar polisacáridos complejos como celulosa, alginato, quitina, almidón, pectina y xilano. Una ventaja de esta bacteria en la producción de PHA es la posibilidad de llevar a cabo la sacarificación de polisacáridos lignocelulósicos simultáneamente con la producción de PHA. Esto puede reducir el costo de producción.
Caldimonas taiwanensis es otra cepa de bacteria, un termófilo, que puede producir PHA en forma de gránulos de PHB. La ventaja de esta cepa es que la alta temperatura necesaria para el cultivo de esta bacteria reduce o elimina el riesgo de contaminación, ya que otros microbios no sobrevivirán a estas temperaturas extremas.
Halófitos como Haloferax mediterranei y Bacillus megaterrium también se han explorado para la producción de PHA. Debido a que los organismos no halófilos no pueden sobrevivir en concentraciones de sal tan altas, el uso de bacterias halófilas productoras de PHA tiene la ventaja de minimizar el riesgo de contaminación. También reduce la necesidad de agua dulce ya que se puede utilizar agua de mar.
Estas cepas de bacterias también tienen la ventaja añadida de poder sobrevivir en un amplio rango de temperaturas y pH. Una desventaja importante de usar medios salinos altos para la producción de PHA es la corrosión de los fermentadores y las tuberías que generalmente están hechas de acero inoxidable. Esto requerirá la modificación del sistema para incorporar materiales como plásticos y cerámicas para evitar la corrosión.
Se están explorando cepas de bacterias como Bacillusm Pseudomonas, rhodococcus y sphingobacterium para la biorremediación combinada y la producción de PHA. Algunos de estos son genéticamente diversos y tienen actividades catabólicas versátiles. Se ha observado que las cepas de Pseudomonas como P. putida, por ejemplo, producen PHA a partir de hidrocarburos como el estireno con una acumulación de PHA de hasta un 32% de peso seco crudo. Esto ofrece el potencial de biorremediación en suelos contaminados y lodos aceitosos de refinerías de petróleo.
Las innovaciones recientes también incluyen la conversión quimio-biotecnológica de poliestireno a aceite de estireno, seguida de la conversión del aceite de estireno en PHA utilizando la bacteria P. putida. También se han identificado bacterias degradadoras de tintes textiles para producir PHA.
Esto implica la producción de PHA utilizando condiciones abiertas y no estériles que comprenden un consorcio mixto de microorganismos. Este método se centra en la ingeniería del entorno de crecimiento para promover el crecimiento y la actividad del microorganismo que produce PHA.
La producción de PHA de cultivo mixto se basa en el concepto de que los microbios están naturalmente presentes en el medio ambiente. Los tipos de microbios que colonizan un sistema dado dependen de tener las condiciones ambientales precisas que permiten que esos microbios prosperen sobre otros microbios.
En la producción de PHA de cultivo mixto a menudo es necesario tener una etapa de pretratamiento para convertir el sustrato complejo en AGV (ácidos grasos volátiles). Esto evita la formación de glucógeno no deseado, mejorando así el rendimiento y la homogeneidad del PHA. Se sabe que la producción de PHA de cultivo mixto alcanza un rendimiento de hasta el 90%.
Las etapas de la producción de PHA de cultivo mixto se resumen en la figura 1
Figura 1. Diagrama de flujo de la producción de PHA
La futura biotecnología de polímeros está dirigida a hacer que la producción de PHA sea más sostenible desde el punto de vista ambiental y rentable. Los enfoques que se están adoptando incluyen, por ejemplo, el uso de agua de mar o agua reciclada en lugar de agua dulce, la adopción de procesos continuos en lugar de procesos, la sincronización de la producción de PHA con la biorremediación, la hidrólisis simultánea de polisacáridos y la producción de PHA, y la ingeniería de los productores de PHA para mejorar el rendimiento.
El estado actual del arte en biotecnología PHA está en la utilización de residuos renovables como sustrato. Esto está alineado con el objetivo de una producción de PHA más sostenible y rentable. VEnvirotech se especializa en la producción de formulaciones bioplásticas que incorporan PHA a partir de residuos orgánicos. Esto se logra mediante el desarrollo de cultivos de bacterias altamente eficientes utilizando biotecnología avanzada.
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