Abstract The study of xylose reductase (XR) - one of the key enzymes in the production of xylitol - is important in the fermentation process to have maximum efficiency in the bioconversion of xylose to xylitol in lignocellulosic hydrolysate. The aim was to evaluate the effect of agitation rate and dissolved oxygen at 7 L bioreactor scale on the production of xylose reductase (XR) from Candida tropicalis during the bioconversion of xylose into xylitol in the non-detoxified oil palm empty fruit bunch (OPEFB) hydrolysate. The highest xylose consumption (95.5%) and the maximum xylitol production (5.46 g.L-1) were presented under 30% dissolved oxygen and 50 rpm. The maximum XR activity (0.646 U mg-1 protein) was obtained after 144 h of fermentation and at the same conditions of dissolved oxygen and agitation rate mentioned above. The oxygen availability influences the XR activity of C. tropicalis and the xylitol production, observing a xylitol yield factor (YP/S) of 0.27 g.g-1 and volumetric productivity (QP) of 0.33 g.L-1 h-1. At lower dissolved oxygen regardless of the agitation conditions evaluated, an increase in xylitol production was evidenced.

RESUMEN Se aplicaron modelos no estructurados de crecimiento celular, consumo de xilosa y producción de xilitol para describir la cinética de fermentación en la producción de xilitol usando Candida tropicalis en medio sintético y en hidrolizado de raquis de la palma de aceite no desintoxicado (OPEFB siglas en inglés) en escala de matraz de 100 mL. En medio sintético, la tasa máxima de crecimiento específico experimental (μmax) y el factor de rendimiento de masa celular (YX/S) estuvieron más cerca de los resultados del modelo Tessier que los de los modelos Contois y Monod. Mientras que, en el hidrolizado de OPEFB no desintoxificado, estos parámetros se acercaron más a los resultados del modelo Contois que a los de los modelos Tessier y Monod. Según los resultados de los modelos, el xilitol se produce principalmente durante la fase de crecimiento celular. El modelo de Tessier en medio sintético y el modelo de Contois en hidrolizado de OPEFB no desintoxificado tuvieron un coeficiente de variación en la cinética de crecimiento de 32 y 33%, respectivamente. La importancia de este estudio radica en simplificar el proceso de fermentación mediante un modelo no estructurado y no segregado utilizando tres eventos al mismo tiempo, crecimiento celular, consumo de sustrato y producción del metabolito.

ABSTRACT Unstructured models for cell growth, xylose consumption and xylitol production were applied for to describe the fermentation kinetics of xylitol production using Candida tropicalis in synthetic medium, and in non-detoxified oil palm empty fruit bunch (OPEFB) hydrolysate at 100 mL flask scale. In synthetic medium, the experimental maximum specific growth rate (μmax) and the cell mass yield factor (YX/S) were closer to the results of the Tessier model than those of the Contois and Monod models. Whereas, in non-detoxified OPEFB hydrolyzate, these parameters were closer to the results of the Contois model than those of the Tessier and Monod models. According to the models’ results, xylitol is mainly produced during the cell growth phase. The Tessier model in synthetic medium and Contois model in non-detoxified OPEFB hydrolysate had a coefficient of variation in growth kinetics of 32 and 33%, respectively. The significance of this study lies in simplifying the fermentation process through a an unstructured and non-segregated model using three events at the same time, cell growth, substrate consumption and metabolite production.

Resumen Nitrito de sodio es un aditivo alimentario ampliamente usado en carnes curadas. Percepciones negativas sobre el uso de agentes químicos en alimentos y sus repercusiones en la salud, han posicionado el nitrito como un compuesto no deseado en los productos cárnicos. Los ingredientes naturales y orgánicos han ocupado un lugar importante dentro de las preferencias de los consumidores. En este estudio, se obtuvo nitrito usando bacterias nitrato-reductoras Sthaphylococcus carnosus y S. xylosus. La pre-incubación de las cepas en un medio con base en apio, permitió la estimulación de la actividad nitrato reductasa. El aumento del sustrato, las condiciones de oxígeno y el pH, influenciaron significativamente la generación de nitrito (p<0.05). La tasa de reducción de nitrato a nitrito fue de 50.85%, con un valor de 320.3 mg L-1 de nitrito. Este método presenta características comparables a aquellos tradicionalmente aplicados para la generación del nitrito de sodio convencional.

Abstract Sodium nitrate is an essential food additive widely used in cured meats. The increased unfavorable perceptions about chemicals in foods and their repercussions on health have positioned nitrites as undesirable compounds in meat products. Natural and organic ingredients have taken an important place within the consumer preferences. Here, obtaining nitrite from natural sources was achieved using nitrate-reducing bacteria Staphylococcus carnosus and S. xylosus. Pre-incubation strains into a celery-based medium allowed the stimulation of nitrate reductase activity. The increased values of substrate, the oxygen condition and pH influenced the nitrite generation significantly (p<0.05). The reduction rate from nitrate to nitrite was 50.85%, with a value of 320.2 mg L-1 of nitrite. This method presents characteristics comparable to those traditionally applied in the generation of conventional sodium nitrite leading the food industry to take advantage of fermentation processes to supply needs in meats and supplementary food products.

RESUMEN La productividad de los bioprocesos es un compromiso entre dos objetivos en conflicto, la maximización de la velocidad de crecimiento de la biomasa y la minimización del consumo de sustrato. En este trabajo, se resuelve un problema de optimización multi-objetivo para mejorar la productividad del cultivo en suspensión de células vegetales de la especie Thevetia peruviana. La solución del problema multi-objetivo permitió determinar las concentraciones iniciales óptimas de sustrato y biomasa para garantizar la máxima productividad. La optimización se lleva a cabo utilizando un modelo mecanistico, que incluye una representación de los procesos intracelulares que tienen lugar en las células vegetales. Las mejores soluciones se eligieron del frente de Pareto teniendo en cuenta el criterio experto. Los resultados indican que se recomienda una concentración inicial de inóculo de 3,91g/L y una concentración inicial de sacarosa de 23,63g/L como condiciones iniciales para obtener una productividad de biomasa de 1,57g/L*día con un consumo aceptable de sacarosa. Se llevó a cabo la validación experimental del óptimo encontrado y la productividad obtenida fue de 1,52g/L usando una concentración de inóculo inicial de 4,27g/L y una concentración inicial de sacarosa de 25,44g/L. Los resultados sugieren que la metodología propuesta puede ampliarse para aumentar la productividad en términos de producción de metabolitos a partir de estos cultivos de células vegetales y otras especies vegetales.

ABSTRACT Bioprocesses productivity is a compromise between two conflicting objectives, maximization of biomass growth rate and minimization of substrate consumption. In this work, a model based multi-objective optimization problem is solved for improving the process productivity in plant cell suspension cultures of Thevetia peruviana. A solution of the multi-objective problem allowed determining the optimal initial concentrations of substrate and biomass for assuring maximal productivity. Model-based optimization is carried out using a mechanistic model, which includes a representation of the intracellular processes taking place on the plant cells. The best solutions were chosen from the Pareto front in agreement with expert criterion. Results indicate that an initial inoculum concentration of 3.91g/L and an initial sucrose concentration of 23.63g/L, are recommended as initial conditions for obtaining a biomass productivity of 1.57g/L*day with an acceptable sucrose uptake. Experimental validation of the optimal found was carried out and the productivity obtained was 1.52g/L using an initial inoculum concentration of 4.27g/L and an initial sucrose concentration of 25.44g/L. Results suggest that the proposed methodology can be extended to increase the productivity in terms of metabolite production from this plant cell cultures and other plant species.

Resumen Los cultivos in vitro de células vegetales en suspensión se han propuesto como plataformas alternativas de expresión de proteínas recombinantes con aplicación terapéutica por las ventajas que ofrecen sobre los sistemas tradicionales de expresión en células bacterianas y de mamíferos. En este trabajo se determinó un protocolo para el establecimiento de suspensiones de papa (S. tuberosum) genéticamente modificadas con el gen de la proteína Cry 1Ac y se caracterizaron las cinéticas de producción de la biomasa y la proteína recombinante. Los entrenudos y el medio MS suplementado con 2.0 mg L-1 de 2,4-D, mostraron los mejores porcentajes de formación de callo. La tasa máxima de crecimiento específico calculada para las suspensiones fue 0.12 d-1, con una concentración máxima de biomasa de 1.41 g L-1 al final de la fase exponencial, la cual logró aumentarse hasta 3.94 g L-1 duplicando la concentración de NO3- y NH4+ en el medio de cultivo.

Abstract Plant cell suspension cultures have been proposed as alternative platforms for the expression of recombinant proteins with therapeutic application because of its potential advantages over traditional bacterial and mammalian cells-based platforms. In this work, a protocol for the establishment of potato suspensions (S. tuberosum) genetically modified with Cry 1Ac gene was obtained and the kinetics of biomass and recombinant protein production were characterized. Internodal explants and MS medium supplemented with 2.0 mg L-1 of 2,4- D showed the best response in terms of callus formation. The maximum specific growth rate for suspensions was 0.12 d-1, with a maximum biomass concentration of 1,41 g L-1 at the end of exponential phase. This biomass concentration was improved to 3.94 g L-1 by doubling the concentration of NO3- and NH4+ in the culture medium.

La hidrólisis ácida diluida del residuo lignocelulósico de raquis de palma de aceite produce azúcares fermentables, como la xilosa, principal fuente de carbono para la producción de xilitol, por Candida guilliermondii En este estudio, se evaluó el efecto de diferentes medios de cultivo y de condiciones de fermentación sobre la producción de xilitol, a partir de raquis de palma de aceite, utilizando C guilliermondii. El hidrolizado ácido de raquis de palma suplementado con 4g/L extracto de levadura, 3g(NH4)2SO4/L, 0,5g/ MgSO4.7H2O/L y 0,1gCaCl2.2H2O/L mostró ser el mejor medio para el crecimiento de la levadura en cultivo sumergido, debido a que presentó los valores mayores, estadísticamente significativos, de la velocidad específica máxima de crecimiento, de 0,12h-1 y producción de biomasa, de 5,5g/L (p<0,05). Las condiciones de fermentación más apropiadas se obtuvieron con hidrolizado de raquis suplementado a pH de 5,5, concentración inicial de xilosa de 17g/L y un inóculo de 3g/L. La microaerobiosis mostró ser un factor importante en el proceso de fermentación, con un volumen de 40mL de medio, en un matraz de 100mL, se produjo la mayor concentración de xilitol de 6,7 g/L (p<0,05).

The dilute-acid hydrolysis of oil palm empty fruit bunch produces fermentable sugars such as xylose, main carbon source for xylitol production by Candida guilliermondii. The influence of different culture media and fermentation conditions were evaluated on the production of xylitol from oil palm empty fruit bunch using C guilliermondii. The acid hydrolyzated oil palm empty fruit bunch supplemented with4g yeast extract/L, 3g (NH4)2SO4/L, 0.5g MgSO4.7H2O/L y 0.1g CaCl2.2H2O/L, was the best culture medium for the yeast growth in submerged culture because it had the highest values, statistically significant, of the specific growth rate 0.12h-1 and biomass production 5.5g/L (p<0,05). The suitable fermentation conditions were obtained with hydrolyzated oil palm empty fruit bunch supplemented at pH 5.5, initial xylose concentration of 17g/L and an inoculum of 3g/L. Microaerobic condition is an important factor on the fermentation process, with a volume of 40mL in a flask of 100mL, that produces the highest concentrations of xylitol (6.7g/L) (p<0,05).

Se evaluó la producción de etanol a escala matraz usando una cepa de Scheffersomyces stipitis (Pichia stipitis) adaptada a inhibidores presentes en hidrolizados hemicelulósicos de palma africana. La adaptación se logró luego de 20 subcultivos en medios progresivamente concentrados en inhibidores. La evaluación de la producción de etanol mostró que la agitación orbital y el volumen de medio influyen significativamente sobre la concentración máxima de etanol, mientras que el volumen del medio y la concentración del inóculo influyen sobre la productividad máxima de etanol. La máxima concentración y rendimiento de etanol fueron 8.48 gl-1 y 0,39 gg-1, respectivamente, alcanzados con 125 rpm, inóculo de 6.75x10(7) células ml-1 y 140 ml de medio. La productividad máxima fue 0.062 gl-1h-1 alcanzada con 125 rpm, inóculo de 99,63x10(7) células ml-1 y 90 ml de medio, mostrando que es posible producir etanol a partir de hemicelulosa de palma africana usando la adaptación de cepas.

Ethanol production using a strain of Scheffersomyces stipitis (Pichia stipitis) adapted to inhibitors of african palm hydrolysates was evaluated. The strain adaptation by cultivations in mediums progressively concentrated with inhibitors after 20 subcultures was achieved. Then the variables orbital agitation, medium volume and inoculum volume were studied for ethanol production, finding that orbital agitation and culture medium volume were significant on maximal ethanol concentration while culture medium volume and inoculum volume were significant on ethanol productivity. Maximal ethanol concentration and yield were 8.48 gl-1 and 0.39 gg-1 achieved with 125 rpm, 6.75x10(7) cells ml-1 and 140 ml of medium. Maximal ethanol productivity was 0.062 gl-1h-1 achieved with 125 rpm, inoculum of 99.63x10(7) cells ml-1 and 90 ml of culture medium. Yeast adaptation showed to be and good strategy to produce ethanol from hemicellulosic residues of african palm tree, avoiding the detoxification processes.

El cultivo de células vegetales ha surgido como una alternativa para la obtención de metabolitos de alto valor agregado, producidos en las plantas en bajas concentraciones y para los cuales, no existen procesos de síntesis química conocidos; sin embargo, para la implementación de esta tecnología es necesario el desarrollo de estrategias que permitan incrementar la productividad de los cultivos in vitro. En este trabajo se discuten diferentes alternativas planteadas para lograr este objetivo: en la primera parte se presentan las formas para obtener líneas celulares sobreproductoras, abordando las estrategias clásicas de selección y la ingeniería genética; posteriormente se discuten los efectos que sobre el crecimiento y la producción de metabolitos secundarios pueden tener la composición química del medio de cultivo y las condiciones físicas en las que se conduce el proceso; finalmente, se presenta la elicitación como alternativa para inducir la síntesis de metabolitos secundarios en cultivos de células vegetales.

The strategy of plant cell culture has become an alternative for the production of high value metabolites that are normally produced in low levels in plants and for which there is not chemical synthesis processes known. However, for the implementation of this technology it is necessary to develop strategies that let us improve the productivity of the in vitro cultures. In this work, different alternatives in order to fulfill that objective are presented: in the first part, the strategies to obtain overproducer cell lines are discussed, showing the clasic strategies for cell line selection and genetic engineering as alternatives; after that, the efect over the growth and secondary metabolite productition of the chemical medium composition and physical conditions of the process are reviewed; finally, the elicitation is presented as an alternative to induce the synthesis of secondary metabolites in plant cell cultures.

En este estudio se empleó cascarilla de arroz como materia prima para la obtención de xilitol, previa hidrólisis durante 60 minutos con ácido sulfúrico al 4% p/v; a 121 ºC y 15 psig,; La xilosa producida se transformó en xilitol mediante su fermentación con Candida guilliermondii. Se estudió el efecto de las variables concentración inicial de xilosa, concentración de inóculo y relación volumen del medio/volumen del matraz, así como sus efectos combinados, sobre la producción de xilitol. Se encontró que las concentraciones iniciales de xilosa e inóculo más adecuadas, entre los valores ensayados, fueron 80 y 5,0 g/l, respectivamente. En estas condiciones, la concentración final de xilitol obtenida fue de 45,2 g/l, con una productividad volumétrica de 0,23 g/l•h y un rendimiento de 0,57 g/g.

In this study was used rice husk, previosly hydrolyzed with diluted sulfuric acid at 121 ºC and 15 psig, with a residence time 60 min. The initial concentration of substrate, inoculum, and relationship between media volume/flask volume and their combined effects were studied on the production of xylitol. The initial concentrations of 80 g/l xylose and 5 g/l inoculums led the best xylitol production (45.2 g/l), productivity (0.23 g/l•h) and yield (0.57 g/g).

Se estudió la producción de ácido láctico (AL) por hidrólisis y fermentación simultánea de mucílago de café con Lactobacillus bulgaricus NRRL-B548 en matraces de 500 ml, conteniendo 400 ml de medio, agitados a 110 rpm. El pH del medio fue controlado manualmente entre 5.6 y 6.0 por adición de NaOH 5M cada 2 horas. La temperatura fue mantenida en 45°C. El volumen de inóculo fue de 10% del volumen de trabajo. Con miras a optimizar la productividad (P) del AL se ensayaron tres valores de concentración de inóculo (5, 10 y 15 g/l) y tres de concentración inicial de azúcares reductores totales (ART) (27, 35 y 60 g/l). La mayor concentración final de AL fue 41 g/l, obtenida con un inóculo de 10 g/l y una concentración inicial de ART de 60 g/l. La máxima productividad fue 1.44 g/l-h, a las 25 horas de fermentación, y se obtuvo con un inóculo de 10 g/l y una concentración inicial de ART de 60 g/l. Con estas mismas condiciones se obtuvo la máxima productividad al final del proceso (30 h) de 1.39 g/l-h. El coeficiente de rendimiento máximo (Y PS), calculado a las 30 horas de fermentación, fue de 1.67 g/g, correspondiente a un inóculo de 15 g/l y una concentración inicial de ART de 60 g/l.

It was studied the lactic acid (LA) production by simultaneous hydrolysis and fermentation of coffee mucilage with Lactobacillus bulgaricus NRRL-B548 in 500 ml vessels with 400 ml of medium, stirred at 110 rpm. The pH of medium was manually controlled between 5.6 and 6.0 by addition of NaOH 5M each 2 hours. Temperature was maintained at 45ºC. The inoculum volume was 10% of the work volume. In order to optimize the LA productivity (P) three values of inoculum concentration (5, 10 and 15 g/l) and three initial concentrations of total reduction sugars (TRS) (27, 35 and 60 g/l) were tested. The maximal final concentration of LA was 41 g/l, obtained with an inoculum of 10 g/l and initial concentration of TRS of 60 g/l. The maximal productivity was 1.44 g/l-h, after 25 hours of fermentation, and it was obtained with an inoculum of 10 g/l and initial concentration of TRS of 60 g/l. At these same conditions it was obtained the maximal productivity at the end of the process (30 h) of 1.39 g/l-h. The maximal yield coefficient (Y PS), calculated at 30 h of fermentation, was 1.67 g/g, corresponding to an inoculum of 15 g/l and initial concentration of TRS of 60 g/l.

En este documento se presenta una revisión de información obtenida de la literatura sobre la producción de biohidrógeno, describiendo los fundamentos básicos de los diferentes sistemas de producción biológica, con especial énfasis en la fermentación oscura, la cual ha sido reportada como uno de los métodos más eficientes y viables de producción de hidrógeno a partir de materiales de desecho. Se describe el uso de diversos microorganismos y la manipulación de diferentes variables de proceso para obtener las condiciones que optimicen la producción de hidrógeno. Además, se hace un recuento de los métodos desarrollados para el mejoramiento de la producción y purificación del hidrógeno.

This review compiles the information from many papers about the biohydrogen production. The basic fundamentals of different biological production systems are described. Special emphasis is given to the dark fermentation, reported as one of the more efficient and viable method of hydrogen production from waste materials. The use of diverse microorganisms and manipulation of some process variables are described to obtain the maximum hydrogen production. In addition, an account of the methods developed for the purification and improvement of production is presented.