Sistemas basados en dinámica de fluidos computacional en biorreactores.
Las observaciones básicas de que los microorganismos responden a las perturbaciones cíclicas y los estudios cinéticos de las respuestas microbianas a pulsos individuales provocaron el desarrollo de nuevos sistemas de reducción de escala.
Las interacciones entre la dinámica de fluidos computacional en biorreactores a escala industrial y la biocinética transitoria se convirtieron en el foco de la investigación.
Los avances se originaron inicialmente a partir de una red europea nórdica más grande basada en el apoyo del Fondo Industrial Nórdico, que se dirigió al «Desarrollo de métodos para estudiar el rendimiento y las características de los biorreactores» (1991–1993).
Las actividades interdisciplinares de grupos de Suecia, Noruega y Dinamarca se centraron en la aplicación de la dinámica de fluidos computacional en biorreactores (CFD), basada en el análisis de biorreactores a escala industrial y el desarrollo de sistemas de reducción de escala.
Las actividades incluyeron mediciones exhaustivas en un biorreactor de tanque agitado de 30 m3 en Statoil (Stavanger, Noruega) y en una columna de burbujeo de 200 m3 en Jästbolaget (Estocolmo, Suecia).
Los resultados de dinámica de fluidos computacional en biorreactores, con las fermentaciones con Saccharomyces cerevisiae como ejemplo, demostraron que existen gradientes de glucosa en grandes biorreactores de tanque agitado y proporcionaron un mejor conocimiento sobre el tamaño de estos gradientes.
Los datos también mostraron que la decisión de utilizar una alimentación desde arriba o desde abajo tiene un gran impacto en el perfil de glucosa en el biorreactor.
Los autores aplicaron una técnica de muestreo rápido por primera vez y demostraron que las zonas con mayor concentración de glucosa se mueven a través del biorreactor.
La variación local de la concentración de glucosa dependía de la turbulencia dentro de la zona en la que se añadía el pienso y de la distancia entre el punto de muestreo y la adición del pienso.
El interés por estudiar la cinética de la reacción microbiana en una zona de alimentación provocó el desarrollo de sistemas especiales de reducción de escala.
El concepto de reactor de dos compartimentos se modificó aún más para que incluyera un elemento mezclador estático en el circuito de tanque de acero inoxidable.
Esto permitió lograr una cierta transferencia de masa de gas respaldada por aireación directa en el circuito y mantener el flujo de pistón al mismo tiempo.
El reactor se utilizó para separar los efectos de la alta concentración de glucosa (zona de alimentación) y la limitación de oxígeno, que sería el resultado de la alta actividad metabólica en esta zona.
Los examinadores lograron mantener las condiciones aeróbicas en la entrada del bucle con una adición continua de oxígeno puro. En este caso, la producción de etanol estaba simplemente relacionada con la mayor concentración de glucosa.
El mismo sistema fue aplicado por Neubauer et al. para estudiar el metabolismo de desbordamiento de acetato en una zona de PFR aeróbica.
Los autores también compararon los cultivos con el suministro de aire enriquecido y no enriquecido con oxígeno en el PFR a los cultivos.
Mientras se utilizaba el bucle PFR como zona de inanición al alimentar la glucosa al compartimento STR, se demostró que la inanición de corta duración induce cíclicamente el tetrafosfato de guanosina regulador de respuesta estricta (ppGpp), es decir, E. coli responde a la inanición cíclica como puede ocurrir en partes más grandes de biorreactores a gran escala.
Los resultados del proyecto nórdico antes mencionado fueron la base para un enfoque interdisciplinario más amplio dentro del programa Marco 4 sobre «Estrategia de ampliación de bioprocesos basada en la integración de la fisiología microbiana y la dinámica de fluidos computacional en biorreactores «.
Este proyecto, que se basó en cultivos de E. coli, incluyó un análisis detallado de las reacciones metabólicas en el sistema de biorreactor de dos compartimentos.
Los resultados indicaron que E. coli responde con la inducción de un metabolismo típico de fermentación ácida mixta cuando las células se exponen a pulsos de glucosa de corta duración y la limitación de oxígeno concomitante.
Esta respuesta anaeróbica se observó más claramente en E. coli en comparación con los cultivos de levadura, porque la constante de afinidad por la glucosa (ks) es un orden de magnitud más baja en E. coli, lo que implica una concentración media de sustrato más baja durante las condiciones de alimentación por lotes con glucosa limitada.
Los cultivos con E. coli en la escala de 22 m3, que se habían aplicado previamente para levadura, mostraron que la variación local de glucosa era mayor y los efectos de gradiente más pronunciados.
Lo que es más importante, la cinética microbiana no solo se estudió en relación con los perfiles metabólicos de productos finales clave del metabolismo del carbono, sino también con análisis cuantitativos de ARNm para una serie de genes marcadores.
Schweder et al. demostraron una respuesta a nivel transcriptómico.
Los ARNm relacionados con el estrés aumentaron dentro de la residencia de las células en el bucle PFR. Además, se detectó expresión génica diferencial para estos genes a gran escala.