INTRODUCCION A LA INGENIERIA DE LOS BIOREACTORES Y LA IMPLICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGIA PARA EL FUTURO DISEÑO Y PRODUCCIÓN DE INGREDIENTES ALIMENTICIOS

Los atributos físicos de cualquier alimento y su comportamiento están dictaminados por la complejidad de sus constituyentes macromoleculares, los cuales son modificados durante su procesamiento y almacenamiento. El estudio de esas macromoléculas es el corazón de la ciencia de los alimentos, así como la compleja interacción de sus componentes tanto extrínsecos como intrínsecos.

Anteriormente el término “Biotecnología” era usado para cubrir una gran cantidad de actividades relacionadas con la manipulación genética, aunque ahora, la búsqueda académica y de la industria para el desarrollo de procesos emergentes, han propiciado una explosión de investigación en los últimos 10 años, en los cuales ha progresado en conjunto con el desarrollo de técnicas de manipulación in vitro de estructuras genéticas de sistemas biológicos.

Esta nueva capacidad ha facilitado la producción y manipulación de una multitud proteínas en un grado previamente inimaginable. Esto tiene su impacto en la capacidad de aprovechar una gama más amplia de materias primar para la obtención por nuevas vías tanto de productos nuevos como comunes.

El punto de inicio es el diseño y análisis de biorreactores, cuantificando mediante las ecuaciones para el balance de masa, la conversión de reactantes a productos, los cuales, en algunos casos, contendrán microorganismos.

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERIA PARA BIORREACTORES

Un reactor bioquímico es un dispositivo donde se tratan de promover transformaciones bioquímicas de materia por la acción de células vivas o sistemas enzimáticos libres de células, y son extensamente usados, muchos de los productos biológicos y farmacéuticos se producen en bioprocesos industriales. Por ejemplo, las bacterias son capaces de producir la mayoría de aminoácidos que pueden utilizarse en alimentos y medicinas.

Un biorreactor es la parte principal de cualquier proceso fermentativo en el cual se emplean sistemas microbianos para la manufactura económica de una amplia variedad de productos biológicos útiles.

La función principal de un biorreactor diseñado apropiadamente es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento optimo y la formación de productos finales óptimos o cualquiera de ambos, en el sistema celular particular empleado.

En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales ESPECIFICAS propicias tanto de pH, temperatura, limpieza, concentración de gases (oxígeno, CO2), nutrientes, al organismo o sustancia química que se cultiva.

OBJETIVOS DEL DISEÑO DE BIORREACTORES

Agitación efectiva para mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. Mantener constante y homogénea la temperatura.

Eliminar adecuadamente el calor (fermentación y agitación)

Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes

Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.

Mantener un ambiente aséptico y de fácil limpieza.

Maximizar el rendimiento y la producción.

Minimizar el gasto y los costos de producción.

Reducir al máximo el tiempo.

En los fermentadores, o biorreactores de células vivas, se promueve mantenerlas condiciones de la célula para permitir la formación de productos como metabolitos (por ejemplo antibióticos, alcohol, ácido cítrico), biomasa, transformación de sustratos ( por ejemplo esteroides fisiológicamente activos), o la purificación de solventes (por ejemplo, miscibles en agua). Estos sistemas están basados en cultivos de mracroorganismos.

La forma en la que podemos ilustrar la cinética bioquímica con transferencia de masa, considerando un reactor discontinuo simple, en condiciones de mezclado en presencia de un sustrato S, contenido con células X y producto P.

Si generalizamos el balance de masa para el reactor, tenemos la forma:

Crecimiento de células:

dXV/dt =r_X∙V

Consumo de sustrato:

dSV/dt=r_S∙V

Formación del producto:

dPV/dt = r_P∙V

Lavelocidad de las variables constitutivas rX, rS y rP, pueden ser complejas funciones de (S,X,P) y en adición, pueden depender de la presencia de metabolitos, además de factores como temperatura y pH. En sistemas aeróbicos, la velocidad de expresión dependerá también de la concentración de oxigeno contenida en la fase liquida. Entonces, el transporte de, por ejemplo, oxigeno de la fase gaseosa a la fase liquida y finalmente a la catálisis biológica es importante en la determinación de la eficiencia del sistema del reactor.

COMPORTAMIENTO DE SISTEMAS Y OPERACIONES.

La aplicación de los principios de ingeniería química es muy usado en el análisis del diseño y operación de reactores bioquímicos. Como sea, el enfoque clásico al análisis es limitado por el seguimiento de un comportamiento especial:

1.- La gran densidad de las células microbiológicas suspendidas y partículas de sustrato generalmente enfocados a estos otros líquidos del medio.

2.- El tamaño de las células individuales es muy pequeño (en rango de µm), comparados con las partículas de la catálisis, acoplado con el mismo comportamiento, esta es generalmente una dificultad para establecer en un fluido turbulento las condiciones de transferencia de masa.

3.- Los sustratos poliméricos o metabolitos, así como el crecimiento micelar, después de reaccionar, pueden producir una mezcla pseudoplástica muy viscosa. Esta condición tiende a limitar la dinámica de los fluidos en los rectores bioquímicos.

4.- El crecimiento multicelular microbiológico, en especial de crecimiento de hongos, generalmente forman conglomeraciones largas de células como una micela. La resistencia de la difusión intraparticular es frecuentemente pronunciada anteriormente en estos sistemas para anaerobiosis.

5.- Los reactores bioquímicos frecuentemente requieren de controles cerrados de concentraciones de soluto, pH, temperatura, y presión parcial en orden para evitar daño y/o destrucción de componentes vivos o lábiles que sean esenciales para el proceso.

6.- Muy bajas concentraciones de reactantes y/o productos son normalmente involucrados en reactores bioquímicos, entonces la fuerza derivada de la concentración para la transferencia de masa se ve frecuentemente limitada.

7.- Las velocidades de crecimiento microbiológico son sustancialmente más bajas que las velocidades de las reacciones químicas relativamente largas, que requieren entonces volúmenes y tiempos largos.

Como una ilustración de algunos problemas impuestos acerca der estos contrastes, encontramos que la adecuada administración de oxígeno para el crecimiento de las células es frecuentemente crítico en procesos aeróbicos. Porque de esta solubilidad en agua, oxigeno gaseoso, usualmente en forma de aire, puede ser suministrada continuamente al medio como un camino donde la velocidad de absorción del oxígeno consumido sea la mínima para el rango de células.

En ocasiones la disminución de la disolución de oxigeno causa un daño irreversible a las células. Como sea este valor muestra que las especies microbianas pueden mostrar grandes variaciones en sus requerimientos de oxígeno, dependiendo de la concentración de oxígeno al que puedan adaptarse para sobrevivir.

Primero se examinó la cinética de las velocidades de expresión características de las reacciones microbianas y enzimáticas, como como la expresión determinante del volumen del reactor para una conversión especifica de reactantes a productos. La ecuación desarrollada para cinéticas microbianas puede ser usada para describir muchas reacciones enzimático-catalíticas.

VELOCIDADES CONSTITUTIVAS DE EXPRESIÓN PARA PROCESOS BIOLOGICOS.

MODELOS DE CRECIMIENTO MICROBIANO.

El crecimiento de células microbianas puede ser observado desde varias perspectivas y con variables gradientes de complejidad, dependiendo en el nivel que deseemos distinguir de células individuales en un reactor y el grado para poder examinar reacciones metabólicas ocurridas con las células.

Mientras el modelo más realista de crecimiento de poblaciones microbianas tratando de considerar todas las reacciones con todas las células y las variantes de formas celulares en la población, como modelo debe ser muy difícil de manejar. Después de hacer algunas simplificaciones, el grado de estos debe depender en el uso del modelo propuesto.

Además, se deben hacer las siguientes distinciones en los modelos para describir el crecimiento de células.

Cundo la población es segregada dentro como células individuales que son diferenciadas de otras en términos de alguna característica diferenciable, los modelos son “segregaciones.”

Los modelos no segregados consideran a la población como un concentrado dentro una “biofase” con interacciones con el medio exterior, y puede ser considerado como una “especie” en solución; la concentración de células puede ser descrita como una sola variable. Los modelos no segregados tienen la ventaja de ser relativamente simples desde la perspectiva matemática. La utilidad de los modelos de segregación dependen de nuestra capacidad para distinguir entre células en una población.

La introducción a la naturaleza de las reacciones ocurre dentro de una célula dando lugar al concepto de estructura. Los modelos estructurales no consideran a la célula como una entidad con simples interacciones

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