Estudio de las condiciones fluido-dinámicas en cultivos bacterianos en tanque agitado

Resumen

El desarrollo de bioprocesos ha experimentado un enorme crecimiento en las últimas décadas, siendo especialmente relevante el impulso recibido por las transformaciones realizadas por microorganismos completos y/o enzimas. Las restricciones energéticas y de emisiones contaminantes promovidas por los diversos organismos internacionales han focalizado también la investigación en el área biotecnológica, debido a que en la mayor parte de los sistemas de esta disciplina se trabaja bajo condiciones moderadas de presión y temperatura. Uno de los aspectos más relevantes durante el desarrollo de un bioproceso es el llamado cambio de escala, desde los estudios de laboratorio hasta biorreactores de tipo planta piloto e industrial. El objetivo fundamental de este término es lograr reproducir los resultados experimentales obtenidos en equipos de pequeño tamaño a mayor escala, para lo cual es preciso fijar los valores de una serie de variables a partir del cálculo de las velocidades relativas de un conjunto de fenómenos clave para que las transformaciones deseadas se lleven a cabo correctamente. El cambio de escala se realiza siguiendo una serie de criterios, entre los cuales se encuentra la selección de las condiciones fluido-dinámicas, para lograr la misma eficiencia de mezcla y transporte entre las fases puestas en contacto, teniendo en cuenta las particularidades de un proceso a nivel industrial, donde se producen simultáneamente diferentes regímenes de agitación y mezcla. En este sentido, la fluido-dinámica de bioprocesos determina, no sólo el grado de mezcla o nivel de contacto de las fases que participan en la transformación, sino también la eficiencia del transporte de nutrientes gas-líquido, especialmente en los sistemas de tipo aerobio. Por otro lado, determinados niveles de agitación pueden comprometer seriamente la integridad del biocatalizador, como ocurre en los procesos en los que intervienen células completas, induciendo situaciones de estrés, que puede ser de tipo hidrodinámico (debido a la tensión tangencial ejercida por el fluido en movimiento sobre las células en suspensión) o bien de tipo oxidativo (por un exceso de especies reactivas del oxígeno en el medio). La presente Tesis Doctoral pretende desarrollar y aplicar una metodología concreta para explicar y describir este tipo de fenómenos en tres bioprocesos concretos: dos de tipo aerobio (la producción de 2,3 butanodiol a partir de glicerol con Raoultella terrigena y el crecimiento de varias cepas de Pseudomonas putida para la bio-desulfuración de combustibles fósiles); y uno de tipo anaerobio (la producción de 1,3 propanodiol a partir de glicerol con Klebsiella oxytoca y Shimwellia blattae). Las publicaciones que componen el documento incluyen, no sólo la influencia de las condiciones fluido-dinámicas en el comportamiento de estos sistemas, sino además el establecimiento de las mejores condiciones de operación y la modelización cinética de las velocidades de producción de metabolitos y biomasa y las de consumo de sustratos carbonados. A la vista de los resultados y las conclusiones extraídas de esta Tesis se deduce que la metodología desarrollada puede ser muy útil para el cambio de escala de los bioprocesos estudiados y extrapolable a otros sistemas que empleen células en crecimiento como biocatalizadores en reactores de tipo tanque agitado.