Biorreactores de escala reducida.
En los biorreactores de escala reducida, aunque B. subtilis es una de las bacterias más importantes aplicadas en cultivos industriales a gran escala, hasta el momento se han publicado investigaciones muy limitadas sobre la respuesta de B. subtilis a condiciones a gran escala.
En la década de 1980, Moes et al. investigó la respuesta de B. subtilis al agotamiento transitorio de oxígeno en un reactor de dos compartimentos.
Se demostró que la relación entre la acetoína y el 2,3-butanodiol, que es muy sensible al nivel de oxígeno, en un reactor de dos compartimentos se desplaza hacia una mayor producción de 2,3-butanodiol.
Se desarrolló un modelo cinético para predecir este comportamiento en función del tiempo de mezclado. Estos resultados se utilizaron como base para investigar el efecto de las oscilaciones de pH.
El cambio de pH se estableció mediante la adición de un agente controlador de pH a la entrada del módulo PFR de un reactor de dos compartimentos y el tiempo de residencia fue ≥60 s. Se encontró que las tasas de síntesis de 2,3-butanodiol son sensibles a los cambios del valor de pH entre 6,5 y 7,2.
Los cambios en la acumulación del producto probablemente fueron causados por la sensibilidad de la acetoína y las enzimas formadoras de 2,3-butanodiol al pH y al acetato disociado.
Un estudio con B. megaterium mostró que las perturbaciones del sustrato, que fueron causadas por la aplicación de un controlador de alimentación proporcional insensible (controlador P) causaron (i) falta de aminoácidos y (ii) desbordamiento de acetato.
Al mismo tiempo, se redujo la producción de GFP como producto.
Los autores demostraron que esta menor producción podría revertirse mediante una adición adicional de los aminoácidos limitantes.
Las respuestas metabólicas de las bacterias parecen ser significativamente más rápidas en comparación con la respuesta de los eucariotas inferiores, como las levaduras.
Además, también en S. cere visiae, el metabolismo de desbordamiento se puede considerar en zonas de glucosa alta por acumulación de etanol, incluso si este compartimento se mantiene aeróbicamente.
Tales cultivos reducidos con un tiempo de circulación de 60 s podrían imitar muy bien las condiciones en una columna de burbujas de 215 m3.
Lo más interesante es que en este proceso, la calidad del producto, es decir, el poder de gasificación de la levadura de panadería fue mayor cuando el cultivo se realizó en condiciones no homogéneas, ya sea en el SDR o en la columna de producción de burbujas.
Curiosamente, también aumentó la capacidad de respiración de las células en estas condiciones oscilantes.
Datos recientes de nuestro grupo muestran que los cultivos en el sistema SDR también afectan la vía de síntesis de esteroles cuando se produce una limitación de oxígeno en la zona de alimentación de glucosa.
Los gradientes en los procesos cerveceros se han estudiado intensamente. La mezcla puede promover la evolución de CO2 y disminuir la sedimentación temprana de la levadura en la parte cónica del tanque y, por lo tanto, acortar el tiempo de fermentación en un 20 %. Tal mejora también se puede lograr mediante el uso de agitadores o dispositivos de mezcla de base de chorro en tanques de elaboración de cerveza.
Además de S. cerevisiae, se han descrito una serie de efectos de biorreactores de escala reducida para la levadura Yarrowia lipolytica, un importante productor de lipasa industrial.
Diferentes fluctuaciones ambientales pueden afectar negativamente el rendimiento de lipasa en Y. lipolytica.
Por el contrario, otros parámetros, como las oscilaciones del pH y la dispersión del sustrato inductor de oleato de metilo, conducen a menores rendimientos de biomasa y, por lo tanto, afectan indirectamente a la concentración de lipasa.
Se ha realizado mucho trabajo sobre el impacto de las oscilaciones en el área del cultivo celular.
El objetivo era principalmente evaluar la robustez de las células y su formación de productos en biorreactores de escala reducida.
Actualmente, los cultivos se realizan en recipientes de hasta 25 m3 en condiciones turbulentas.
Teniendo en cuenta el tamaño y la sensibilidad de las celdas a las condiciones hidrodinámicas, la tasa de disipación de energía específica 𝜀T juega un papel especial y también Φ, que describe la relación entre la tasa de disipación de energía específica local máxima y la tasa de disipación de energía específica promedio (𝜀T∕𝜀T) .
Mientras que 𝜀T parece estar en el orden de 0,2 W kg−1 en una configuración industrial típica, 𝜀T puede ser ~30 veces mayor (para una discusión reciente, consulte).
Datos recientes muestran que CHO y otras líneas celulares utilizadas industrialmente son relativamente robustas cuando se exponen a tales condiciones hidrodinámicas. Curiosamente, las variaciones de pH podrían influir significativamente en el número de células.
Tales desviaciones de pH del punto de control se han medido en biorreactores de cultivo celular en varios estudios (ver discusión en).
Se supone que se pueden alcanzar valores de pH de ~9,0 en puntos establecidos de ~7,2. Además, en la última fase de los cultivos, las adiciones de álcali son frecuentes (intervalo <10 s).
Dado que dichas adiciones no se dispersan por completo, el pH es más alto cerca del punto de adición que el punto establecido.
Osman et al. mostró con cultivos GS-NS0 que las oscilaciones del valor de pH pueden disminuir el número de células en un sistema STR-STR de dos compartimentos. Sin embargo, los autores no investigaron el efecto sobre la calidad del producto.
El desarrollo de sistemas de reducción de escala adecuados se está extendiendo hacia los cultivos de microbiorreactores.
Esto permite una investigación más rápida de los posibles problemas que pueden aparecer durante la ampliación.
Sin embargo, un conocimiento suficiente de biorreactores de escala reducida sigue siendo un cuello de botella importante, que solo se puede evitar en parte con los enfoques de CFD.
Sin embargo, el rápido desarrollo de herramientas de monitoreo (no invasivas) permite una reducción basada en las características fisiológicas y morfológicas de una población celular.
Los métodos, que son capaces de monitorear en línea y que reemplazan al menos parcialmente la instrumentación como la citometría de flujo fuera de línea, pueden contribuir mucho a un mejor diseño de reactores de escala reducida.
Si estas herramientas de monitoreo se miniaturizaran o se acoplaran a métodos de muestreo paralelos automatizados, la reducción podría ajustarse incluso en microbiorreactores.
La información adicional también permite refinar los modelos de balance de población y, por lo tanto, refinar los modelos híbridos.
Los diversos sistemas biorreactores de escala reducida, cuando se combinan con sistemas de muestreo automatizados, permiten la consideración de enfoques de biología de sistemas en mayor medida que la que se realiza actualmente.
La determinación exacta de la respuesta fisiológica en condiciones oscilatorias relevantes apoyará la comprensión de la célula reguladora y su ingeniería para una mayor robustez.
Por lo tanto, la ampliación y reducción de los bioprocesos exige más que nunca un enfoque interdisciplinario profundo entre las disciplinas de las ciencias naturales y la ingeniería.