Bioprocesos saber cómo y porque en Ign quimica

Saber el cómo y el por qué en ingeniería bioquímica

Esta contribución analiza la posición de la ingeniería bioquímica en general y la ingenieria de bioprocesos, en particular en los campos de fuerza entre la ciencia y  las aplicaciones fundamentales, y entre la academia y la industria. Mediante el uso de la tecnología de cultivo como un ejemplo, se puede demostrar que la ingeniería de bioprocesos se ha movido lenta pero constantemente desde un arte empírico que trata principalmente  el saber practico, clarificando el porqué del comportamiento del cultivo. Herramientas altamente poderosas de monitoreo permiten a los ingenieros bioquímicos comprender y explicar cuantitativamente la actividad de cultivo celular en una base metabólica. Entre estos instrumentos de monitoreo no son sólo los análisis semi-línea de caldo de cultivo por HPLC(High-performance liquid chromatography), GC(chromatography of gases) y FIA(Flow Injections Analysis), sino, que cada vez más, tambien son los métodos no invasivos como IR(infrared spectroscopy) de gama media, Raman y espectroscopia de capacitancia, así como la calorimetría en línea. La visión detallada y cuantitativa en el metaboloma (conjunto completo de las pequeñas moléculas denominadas metabolitos) y la Fluxome que los ingenieros de bioprocesos están estableciendo ofrece una oportunidad sin precedentes para la construcción de puentes entre la biología molecular  y la ingeniería de biociencias. Así, una de las principales tareas de las ciencias de la ingeniería bioquímica no es el nuevo desarrollo de el saber como hacer aplicaciones industriales, sino la aclaración de el saber el porqué de las cosas en ingeniería bioquímica mediante la realización de investigaciones sobre los fundamentos científicos subyacentes.

Introducción:

La Biotecnología comenzó como un arte. Durante miles de años, la humanidad explotada heredó empiricamente de generación en generación el saber cómo producir pan, cerveza, vino y similares. A lo largo de este largo período, la evolución de los procedimientos de producción era tan lento que casi no podía ser percibida porque el nuevo “saber cómo” que se había obtenido de forma totalmente empírica carecia de “el saber el porqué”. Esta situación sólo comenzó a cambiar hace relativamente poco, cuando alrededor de 1700, Anton van Leeuwenhoek inventó el primer microscopio óptico. El descubrimiento de nuevas e insospechadas formas de vida microscópicas que se derivan de su invento marcó el punto de partida de la biología como la biotecnología ciencia relevante. Un desarrollo constante de los conocimientos biológicos y la ciencia siguió, por primera vez por eminentes personalidades como Louis Pasteur, Robert Koch, y Alexander Fleming, entre muchos otros.

En los últimos 30 años, el desarrollo de la biología fundamental y molecular comenzó a acelerarse de manera exponencial debido a avances como la ingeniería genética, hibridoma y tecnología de cultivo de celulas animales, la genómica y la proteómica. Como resultado, la biotecnología hoy no podría estar más lejos de un arte; que ha dado lugar a una industria de alta tecnología por excelencia. Los productos de la biotecnología que se venden en el mercado son a menudo el resultado de innovadoras  investigaciónes científicas.

Debido al desarrollo similar a la explosión de las ciencias biológicas fundamentales, la ingeniería bioquímica se encuentra en una situación muy diferente. Si bien la ingeniería bioquímica y biotecnología ha designado bastantes campos similares hace 30 años en que ambos significan la ciencia y el arte de utilizar las células vivas y sus componentes con el fin de obtener productos o servicios industriales útiles,hoy en dia el término biotecnología tiene un significado mucho más amplio, que comprende todo tipo de actividades basadas en ciencias biológicas y el uso de algún tipo de medios técnicos, ya sea el desarrollo industrial y la producción, la investigación aplicada o fundamental, o las actividades médicas. Esto plantea la cuestión intrigante de si la ingeniería bioquímica es sólo la colección de “el saber cómo” necesario para la realización industrial de los resultados de la biotecnología o si es una ciencia en sí misma que debe ser enseñada en la academia (Fig. 1). La cuestión es especialmente pertinente para todas las actividades y procesos relevantes de la ingeniería bioquímica, tales como el desarrollo y diseño de bioprocesos, ingeniería de bioprocesos, ingenieria y diseño de equipos, y la fabricación.

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La cuestión es de suma importancia para los ingenieros bioquímicos académicos porque muchos directivos universitarios y responsables de las políticas de investigación parecen ser tan impresionados por los recientes éxitos de las ciencias fundamentales y moleculares que tienden a perder de vista  la ingeniería y la ingeniería bioquímica. Al mismo tiempo, los programas de ingeniería bioquímica académicos tienden a cambiar su énfasis cada vez más desde el proceso relacionado con aspectos biomoleculares de la ingeniería bioquímica (Chaudhuri, 1997). Como resultado, hay una tendencia en muchos países para subcontratar al menos, los procesos relacionados con aspectos de ingeniería bioquímica de la academia a los politécnicos o industrias, una tendencia que fue bien caracterizada por Wandrey (2001) en un editorial titulado apropiadamente '' Bio- sin tecnología? ''

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El objetivo de este trabajo es analizar la posición de la ingeniería bioquímica en general y de bioprocesos en particular en el campo de fuerza entre '' aplicaciones '' y ''ciencia '' al mostrar que evolucionó gradualmente de un tipo de enfoque basado en el saber cómo a una ciencia cada vez más esclarecida de saber el porqué.

El camino de la ingenieria de bioprocesos: desde el saber cómo al saber el porqué:

La evolución de la ingeniería bioquímica hacia la ciencia puede ilustrarse utilizando tecnología de cultivo como un ejemplo. Considerando que las calderas utilizadas para la fabricación de la cerveza en la Fig. 2 son todavía muy tradicional, la figura también muestra la presencia de sondas de medición y de un panel de control moderna. La necesidad de vigilar y controlar los cultivos ha dado lugar a un uso más generalizado de las sondas y los esquemas de control en biorreactores también. Mediante el desarrollo y la aplicación cada vez más sofisticados métodos de control en linea y de linea, los ingenieros bioquímicos obtienen una imagen cada vez más completa de por qué las cultivos se comportan como lo hacen, lo que les permite desarrollar nuevos y más eficientes conociemientos practicos.

La Tabla 1 muestra una lista de métodos de análisis en línea y semi-línea que están disponibles hoy en día en muchos laboratorios academicos de ingeniería bioquímica. Entre ellos están las sondas convencionales para pO2 y el pH y off-gas de análisis. Además, un gran número de metabolitos hoy en día puede ser monitorizada por análisis semi-línea basado en un muestreo repetitivo de el cultivo a frecuencias relativamente altas y en un análisis de las muestras por GC o por FIA (Herwig et al., 2001). Porque teniendo un gran número de muestras se evita a menudo en las industrias de procesos biológicos, ingenieros bioquímicos han estado buscando métodos no invasivos alternativos para obtener el mismo tipo de información. Un método adecuado es el uso de la calorimetría de reacción en línea (von Stockar y Marison, 1991). Mediante la aplicación de esta técnica a un proceso de fermentación de 300 l, Voisard et al. (2002) han demostrado muy claramente que las mediciones calorimétricas en línea son un método relativamente simple y altamente adecuado para controlar cultivos industriales en línea y también para controlar los procesos discontinuos alimentados. Otra clase de instrumentos en línea que han generado recientemente un gran interés son las mediciones espectroscópicas.

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La Tabla 2 muestra cuatro tipos de análisis espectroscópicos en línea que han sido investigados en el laboratorio de los autores. La espectroscopia de infrarrojo es el medio capaz de medir la concentración de un número de diferentes metabolitos simultáneamente a alta frecuencia (Doak y Phillips, 1999;. Fayolle et al., 2000; Pollard et al, 2001; Sivakesava et al., 2001). [pic 4]

Debido a que los espectros de los metabolitos de interés normalmente se superponen, es necesario trabajar con los llamados modelos de calibración multivariante (Martens y Naes, 1988). La Fig. 3 muestra que si este modelo se construye correctamente, es posible seguir en línea un buen número de diferentes metabolitos (Kornmann et al., Presentado para su publicación). El gráfico también demuestra la fiabilidad de las señales respectivas durante el adicionamiento del cultivo con metabolitos importantes, tales como etanol o ácido acético. Las señales respectivas reproducen los picos de una manera fiel, pero el adicionado con metabolitos no molestó a otras señales no relacionadas, lo que demuestra la exactitud de la calibración.

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La biomasa no se puede ver con espectroscopia infrarroja. Una manera de seguir la concentración de células es el uso de la espectroscopia dieléctrica o capacitancia (Kell et al., 1990; Olsson y Nielsen, 1997). Cannizzaro et al. (En prensa a, b) muestran que esta técnica es especialmente prometedora si se explota como espectroscopia real. Escanear sistemáticamente sobre una gama de frecuencias mientras que hace las mediciones y el uso de modelos de calibración multidimensionales, que eran capaces de seguir no sólo los recuentos de células, sino también la viabilidad e incluso para obtener información en línea sobre el tamaño de las células.

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