Biorreactores – El efecto del medio ambiente
El sub-modelo cinético necesita describir cómo el crecimiento depende de las variables ambientales clave, ya que estas variables típicamente no pueden ser simplemente controladas a sus valores óptimos en un sistema SSF. El modelo será más útil si se puede utilizar para explorar cómo las variables operativas afectan los valores de las variables ambientales clave y cómo los cambios en las variables ambientales a su vez afectan el rendimiento general del biorreactor.
Entonces, ¿qué variables ambientales son las «variables ambientales clave»? Esta cuestión se planteó anteriormente, donde se recomendó que, al menos, se describieran los efectos de la temperatura y la actividad del agua sobre el crecimiento. Durante una fermentación, estas variables pueden cambiar significativamente. Por ejemplo, la temperatura puede comenzar a la temperatura óptima para el crecimiento, pero puede aumentar sustancialmente durante las partes medias de la fermentación, cayendo de nuevo a medida que el crecimiento se desacelera al final del proceso. Además, la actividad de agua del lecho de sustrato puede comenzar en el óptimo pero puede disminuir después durante la fermentación debido a la evaporación del agua del lecho. Además, estas dos variables pueden ser influenciadas significativamente por la forma en que se opera el fermentador, y los modelos de biorreactores que describen los efectos de estas dos variables en el crecimiento se pueden utilizar para explorar estrategias de operación de los dispositivos que intentan minimizar la desviación de estas variables a partir de los valores óptimos para el crecimiento y la formación del producto. En los modelos cinéticos, el efecto de estas variables ambientales sobre el crecimiento se tiene en cuenta al expresar los parámetros en la ecuación cinética como funciones de las condiciones locales. Para cada una de las ecuaciones cinéticas, algunos de los parámetros podría expresarse como funciones de las variables ambientales.
A continuación presentamos enfoques experimentales que pueden usarse para recopilar datos experimentales y enfoques para desarrollar ecuaciones apropiadas, para el caso de la temperatura y el caso de la actividad del agua. Obsérvese que las recomendaciones son para estudios «isotérmicos» e isohídricos, en los cuales las condiciones se mantienen constantes durante todo el ciclo de crecimiento, mientras que en procesos SSF reales la temperatura y la actividad del agua cambian durante el proceso. Es posible que las expresiones de los efectos de la temperatura y la actividad del agua que se obtienen sobre la base de los enfoques isotérmicos e isohídricos no describirán el verdadero efecto sobre el crecimiento de las condiciones variables en el tiempo que se encuentran en el organismo en los procesos SSF en general. La ventaja de los enfoques isotérmicos e isohídricos es que son fáciles de llevar a cabo. También se discuten los posibles enfoques para determinar los efectos de las variaciones temporales en la variable ambiental.
Incorporación del efecto de la temperatura sobre el crecimiento
El «enfoque isotérmico»
Este enfoque experimental es el siguiente:
- Se utiliza un sistema experimental a pequeña escala para que la transferencia de calor no sea limitante y por lo tanto el sustrato estará a la temperatura de la incubadora o baño de agua utilizado;
- Los cultivos se incuban a diversas temperaturas diferentes, manteniéndose constante la temperatura experimentada por cada cultivo durante todo el ciclo de crecimiento;
- A continuación se representa el perfil de crecimiento para cada cultivo y se ajusta la ecuación cinética apropiada a cada perfil, permitiendo la determinación de los valores de los parámetros de la ecuación cinética para cada temperatura. Por ejemplo, si la curva de crecimiento es logística, la forma integrada de la ecuación logística se ajusta mediante regresión no lineal al perfil de crecimiento. Esto producirá una constante de velocidad de crecimiento específica y una concentración máxima de biomasa para cada temperatura;
- Los parámetros que son sensibles a la temperatura se trazan entonces contra la temperatura y se utiliza una ecuación empírica para describir esta curva, ajustándose a la curva mediante regresión no lineal.
En el siguiente post veremos mas enfoques que nos serán de gran utilidad.