Proceso de fermentación usando velocidades de incorporación de oxígeno específicas como un control del proceso.

Un proceso de fermentación en donde una levadura genéticamente modificada que tiene una alteración de una ruta nativa de la piruvato descarboxilasa (PDC) fermenta un sustrato de fermentación,

se mantiene la concentración de oxígeno disuelto en menos del 1% de la cantidad de saturación y se determina la velocidad de incorporación de oxígeno específica durante una fase de producción del proceso de fermentación, y se controla al menos un parámetro operativo en respuesta a la velocidad de incorporación de oxígeno medida.

Proceso de fermentación usando velocidades de incorporación de oxigeno específicas como un control del proceso

El ácido láctico presenta una amplia aplicabilidad industrial, que incluye usos en la síntesis y el procesamiento químicos, los productos cosméticos, los productos farmacéuticos, los plásticos y la producción de alimentos. La mayoría de los procesos a escala industrial para preparar ácido láctico son procesos de fermentación. En esos procesos de fermentación se han usado diversas bacterias productoras de ácido láctico.

En una reciente investigación se ha estudiado el uso de cepas de levadura recombinantes en procesos de fermentación para ácido láctico. Las levaduras recombinantes pueden proporcionar potencialmente varias ventajas sobre las fermentaciones bacterianas. Algunas cepas de levadura son más resistentes a temperaturas más elevadas. Esto permite potencialmente fermentaciones a mayores temperaturas, lo que se puede traducir en mayores velocidades de las fermentaciones. Una mayor resistencia a temperaturas elevadas puede hacer más sencillo purgar un medio de fermentación de los microbios contaminantes ya que el medio puede ser simplemente calentado a una temperatura a la que mueren las especies ¡ndeseadas pero que las especies deseadas pueden tolerar. Bacterias productoras de ácido láctico tales como los lactobacilos requieren un medio de fermentación complejo para poder producir eficazmente. La complejidad del medio de fermentación aumenta los costes de las materias primas y hace más difícil y costoso separar el ácido láctico del medio. El empleo de levaduras recombinantes ofrece la posibilidad de reducir los costes al usar un medio de fermentación simplificado.

Porro y colaboradores han intentado diseñar una levadura productora de ácido láctico insertando un gen LDH (lactato deshidrogenasa) exógeno en células de levadura de las especies S. cerevisiae, K. lactic, T. delbrueckii y Z. bailii y alterando la ruta natural del piruvato de las células. Véanse Porro et al., "Development of metabollcally engineered Saccharomyces cerevisiae cells for the productlon of lactic acid", Biotechnol. Prog., mayo-junio de 1995, 11 (3): 294-8; Porro et al., "Replacement of a metabollc pathway for large-scale productlon of lactic acld from engineered yeasts", App. Environ. Microbio!., septiembre de 1999, 65 (9): 4211-5; y Blanchl et al., "Efficlent homolactic fermentatlon by Kluyveromyces lactic stralns detective in pyruvate utilization and transformed wlth the heterologous LDH gene", App. Environ. Microbio!., diciembre de 21, 67 (12): 5621-5. Porro fue capaz de producir una levadura recombinante que produce ácido láctico, pero las cepas casi no se comportaban lo bastante bien para su implementación en un proceso comercial. Para su calificación para uso en un entorno Industrial, la cepa debe generar buenos rendimientos de ácido láctico (es decir, una elevada conversión del sustrato en ácido láctico) y una elevada productividad (es decir, un rápido metabolismo del sustrato a ácido láctico). La levadura es preferiblemente capaz de tolerar un medio que tiene un título elevado de ácido láctico.

Más recientemente, Rajgarhia y colaboradores han creado una levadura recombinante que presenta unos rendimientos y unas productividades mayores que los de Porro. Véanse, por ejemplo, los Documentos WO /71738, WO 2/42471 y PCT/US2/16223. El trabajo de Rajgarhia, como se describe en el Documento WO /71738, intenta aprovecharse del llamado fenotipo "Crabtree negativo" presentado por ciertas especies de levadura. El efecto Crabtree se define como la aparición de metabolismo fermentativo bajo condiciones aeróbicas a causa de la inhibición del consumo de oxígeno por un microorganismo cuando es cultivado a altas velocidades de crecimiento específicas (efecto de larga duración) o en presencia de glucosa en altas concentraciones (efecto de corta duración). Los fenotipos Crabtree negativos no presentan este efecto y, por lo tanto, son capaces de consumir oxígeno incluso en presencia de glucosa en altas concentraciones o bajo altas velocidades de crecimiento. De este modo, los cultivos de microorganismos Crabtree negativos, al menos en teoría, pueden ser convertidos de una fase de crecimiento en una fase de fermentación (producción) a través de la manipulación del suministro de oxígeno. En presencia de una aireación significativa, los microorganismos crecen para producir biomasa y C2, mientras que, bajo condiciones anaeróbicas, las células fermentan en cambio el sustrato disponible para producir ácido láctico u otros productos de fermentación.

Sin embargo, hemos hallado que ciertas cepas no fermentan tan eficazmente como sería deseable bajo condiciones estrictamente anaeróbicas. Esto es cierto, por ejemplo, en cepas de levadura modificadas en que la ruta de la piruvato descarboxilasa (PDC) está suprimida o alterada. Sin embargo, el uso de tales especies modificadas es por otro lado muy deseable en las fermentaciones lácticas (así como en otras en que el producto deseado no es etanol) ya que la alteración de la ruta de la PDC reduce la cantidad de etanol que se produce. En consecuencia, sería deseable obtener un proceso de fermentación mejorado en que una cepa que no fermenta eficazmente bajo condiciones estrictamente anaeróbicas pudiera producir económicamente un producto de fermentación deseado.

La Figura 1 es un gráfico que ilustra el efecto de la velocidad de incorporación de oxígeno (OUR; del inglés, oxygen uptake rate) sobre el consumo de glucosa y sobre la producción y el rendimiento de ácido láctico para cierta especie de K. marxianus genéticamente modificada.

La Figura 2 es un gráfico que ilustra el efecto de la OUR sobre el consumo de glucosa y sobre la producción y el rendimiento de ácido láctico para otra especie de K. marxianus genéticamente modificada.

La invención se define en su forma más amplia mediante la Reivindicación independiente 1:

1. Un proceso de fermentación en donde una levadura genéticamente modificada que tiene una alteración de una ruta nativa de la piruvato descarboxilasa (PDC) fermenta un sustrato de fermentación, se mantiene la concentración de oxígeno disuelto en menos del 1% de la cantidad de saturación y se determina la velocidad de incorporación de oxígeno específica durante una fase de producción del proceso de fermentación, y se controla al menos un parámetro operativo en respuesta a la velocidad de incorporación de oxígeno medida.

En las Reivindicaciones 2-5 dependientes se definen realizaciones preferidas:

2. El proceso de la Reivindicación 1, en donde el parámetro operativo es uno o más seleccionado del grupo que consiste en la velocidad de aireación, la velocidad de agitación y la composición del gas de aireación.

3. El proceso de la Reivindicación 1, en donde el microorganismo tiene al menos un gen exógeno funcional que permite a la célula producir un producto de fermentación deseado.

4. El proceso de la Reivindicación 3, en donde el gen exógeno es un gen de lactato deshidrogenasa.

5. El proceso de la Reivindicación 4, en donde el microorganismo es del género Candida o Kluyveromyces.

En otro aspecto, se describe un método para llevar a cabo un proceso de fermentación en un medio de fermentación que comprende un microorganismo termentador y un sustrato que es fermentable por el microorganismo, fermentación que presenta una cantidad de oxígeno disuelto (DO; del inglés, dissolved oxygen) y una incorporación de oxígeno especifica (OUR) durante la fermentación, que comprende

a) medir la OUR durante una fase de producción de una fermentación; y

b) ajustar las condiciones de aireación para que la OUR se mantenga dentro de un intervalo predeterminado mientras se mantiene el DO en menos del 1% de la cantidad de saturación durante la fase de producción de la fermentación.

En un tercer aspecto, esta descripción se refiere a un proceso que comprende

a) determinar un intervalo óptimo de valores de OUR en el que un microorganismo termentador fermenta un carbohidrato hasta un producto de fermentación deseado;

b) cultivar el microorganismo en un medio que comprende un carbohidrato que la célula es capaz de metabolizar y uno o más nutrientes, mientras se airea el medio de manera que las células crecen y se reproducen, se reduce el DO en el medio a menos del 1% de la cantidad de saturación y las células presentan una velocidad de incorporación de oxígeno específica de al menos 1 milimoles de 2/g de peso de células en estado seco/hora (milimoles de

2/gdw/h); y luego

c) cultivar el microorganismo en un medio tamponado bajo unas condiciones de fermentación que incluyen unas condiciones de microalreación... [Seguir leyendo]

1. Un proceso de fermentación en donde una levadura genéticamente modificada que tiene una alteración de una ruta nativa de la piruvato descarboxilasa (PDC) fermenta un sustrato de fermentación, se mantiene la concentración de oxígeno disuelto en menos del 1% de la cantidad de saturación y se determina la velocidad de incorporación de

oxígeno específica durante una fase de producción del proceso de fermentación, y se controla al menos un parámetro operativo en respuesta a la velocidad de incorporación de oxígeno medida.

2. El proceso de la Reivindicación 1, en donde el parámetro operativo es uno o más seleccionado del grupo que consiste en la velocidad de aireación, la velocidad de agitación y la composición del gas de aireación.

3. El proceso de la Reivindicación 1, en donde la levadura tiene al menos un gen exógeno funcional que permite a la 1 célula producir un producto de fermentación deseado.

4. El proceso de la Reivindicación 3, en donde el gen exógeno es un gen de lactato deshidrogenasa.

5. El proceso de la Reivindicación 4, en donde la levadura es del género Candida o Kluyveromyces.