Modo de fermentación y efectos del medio en la producción de 1,3-propanodiol y ácidos orgánicos usando Levilactobacillus brevis PD20.100

Convertir residuos en materiales útiles

Cada día, las industrias generan restos difíciles de reutilizar, como el glicerol crudo de las plantas de biodiésel y los recortes ricos en proteínas de la transformación del pescado. Este estudio explora cómo un microbio adaptado puede convertir estos residuos de bajo valor en 1,3-propanodiol —un ingrediente clave para plásticos ecológicos y productos de cuidado personal— junto con ácidos orgánicos útiles. Comparando distintas formas de operar las fermentaciones y diferentes recetas de nutrientes, los investigadores buscan el punto óptimo donde sostenibilidad, coste y productividad se alinean.

Del residuo de combustible y restos de pescado a nuevos productos

El trabajo se centra en el 1,3-propanodiol, una molécula pequeña que se usa para fabricar fibras elásticas y resistentes para ropa y otros productos, así como ingredientes para anticongelantes, pinturas y cosméticos. Tradicionalmente se obtiene del petróleo, pero puede producirse por microbios que “consumen” materias primas ricas en carbono. Aquí, el equipo emplea glicerol crudo, un subproducto de la producción de biodiésel que a menudo contiene impurezas, junto con glucosa como fuentes principales de carbono. Para el nitrógeno —el otro nutriente mayor que requieren los microbios— prueban dos opciones: un medio de laboratorio rico convencional llamado mMRS, y un hidrolizado de proteína de pescado (FPH), un polvo elaborado a partir de los desechos del procesamiento del pescado. El objetivo es ver si el FPH puede reemplazar ingredientes de laboratorio caros manteniendo una producción robusta.

Cómo los microbios hacen el trabajo

Los investigadores trabajan con una cepa evolucionada por adaptación de la bacteria láctica Levilactobacillus brevis PD20.100, entrenada para tolerar altos niveles de azúcares y glicerol crudo. Dentro de las células, el glicerol se divide entre dos ramas relacionadas: una lo convierte en 1,3-propanodiol y la otra lo transforma en ácidos láctico y acético. Estas ramas comparten “electrones” internos, por lo que el equilibrio entre ellas es crucial. Si las condiciones son las adecuadas, más flujo va hacia el 1,3-propanodiol; si no, más termina como ácidos. El estudio prueba cómo la composición del medio (mMRS frente a FPH), el formato celular (células libres frente a inmovilizadas en perlas de alginato) y el estilo de fermentación (batch único, fed-batch y batch repetido) desplazan ese equilibrio.

Comparando modos de conducir la fermentación

En experimentos simples por batch con células en suspensión y ambas fuentes de carbono a 60 g/L, mMRS ofreció los mejores resultados globales, alcanzando cerca de 39–40 g/L de 1,3-propanodiol con una conversión muy alta del glicerol crudo. Usando FPH en su lugar, el microbio aún produjo un respetable 27–31 g/L, pero creció más lentamente y dejó más sustrato sin consumir, probablemente porque el FPH contiene péptidos amargos o inhibidores y carece de algunas vitaminas presentes en mMRS. La inmovilización de células en perlas de alginato mejoró la estabilidad y permitió la reutilización, pero normalmente redujo los niveles máximos de producto en comparación con las células en suspensión. Cuando el equipo intentó estrategias fed-batch —añadiendo más glicerol y glucosa con el tiempo— un patrón de alimentación particular en mMRS dio un rendimiento sólido, aunque todavía por debajo del mejor batch. Con FPH, las mismas estrategias condujeron a rendimientos más bajos y a desaceleraciones más pronunciadas con el tiempo.

Reutilizar células y escalado

Las fermentaciones por batch repetido, donde células o perlas se ciclan en medio fresco varias veces, revelaron cómo cambia el rendimiento con el tiempo. Las células en suspensión en mMRS mantuvieron una alta producción de 1,3-propanodiol durante varios ciclos antes de declinar gradualmente, probablemente porque el estrés y la acumulación de producto redujeron la salud celular. En FPH, esta caída ocurrió antes y con más intensidad, lo que apunta a efectos acumulativos de componentes inhibidores. Las células inmovilizadas en perlas de alginato mostraron un patrón similar: buen rendimiento inicialmente en mMRS, pero descensos claros después de algunos ciclos, especialmente en FPH. Finalmente, los investigadores pasaron a un fermentador de tanque agitado controlado usando FPH. Con mejor control de pH, mezcla y niveles de oxígeno, el sistema alcanzó casi 29 g/L de 1,3-propanodiol y utilizó el glicerol crudo con mucha más eficiencia que en pequeños matraces agitados.

Qué implica para una producción más verde

En conjunto, el estudio muestra que la cepa evolucionada L. brevis PD20.100 puede convertir el glicerol, subproducto de la biodieselera, en valioso 1,3-propanodiol y ácidos orgánicos bajo una variedad de condiciones. El medio convencional mMRS sigue ofreciendo los mayores rendimientos y las fermentaciones más rápidas, pero el hidrolizado de proteína de pescado —elaborado a partir de residuos de procesado de pescado— surge como una fuente de nitrógeno prometedora, de menor coste y más sostenible. Con un diseño de proceso cuidadoso, control adecuado en biorreactores y un mayor ajuste de la composición del FPH, los autores sostienen que este enfoque podría ayudar a la industria a convertir dos corrientes de residuos problemáticas en químicos útiles, avanzando tanto los objetivos de bioeconomía circular como una producción de materiales más ecológica.

Cita: Alphy, M.P., Anjitha, S.K., Sherin, S.D. et al. Fermentation mode and media effects on 1,3-propanediol and organic acids production using Levilactobacillus brevis PD20.100. npj Mater. Sustain. 4, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00106-x

Palabras clave: 1,3-propanodiol, glicerol crudo, hidrolizado de proteína de pescado, bacterias lácticas, fermentación sostenible