Galindo Fentanes, Enrique

El desarrollo de las técnicas de cultivo celular en gran escala, conocida de forma genérica como tecnología de fermentación, ha sido uno de los aspectos cruciales, en lo que se refiere a la comercialización de las biotecnologías, ya que, literalmente hablando, existen muchos microorganismos capaces de producir bioproductos potenciales de interés comercial. Sin embargo, el traspaso de estos esquemas de laboratorio a sistemas comerciales de gran escala es lo que hace que finalmente los productos biotecnológicos estén a disposición de los consumidores.

Un fermentador es un recipiente en donde se promueve el crecimiento de células u organismos con el fin de producir un producto específico, el cual puede ser el microorganismo, célula u organismo en sí, o bien alguna sustancia producida por el mismo. Debido a que el cultivo en un biorreactor constituye un ambiente artificial, las células cultivadas en biorreactores están expuestas a diferentes tipos de estrés, por lo tanto, la producción de un determinado tipo de célula, así como el nivel de producción de un cierto metabolito, se ven influenciados principalmente por las condiciones ambientales imperantes en el reactor.

Estas condiciones, a su vez, están estrechamente ligadas a las características físicas del caldo de cultivo (como su viscosidad), la capacidad del reactor para mezclar el caldo y transferir oxígeno (ya que la mayoría de los cultivos requiere un suministro constante de oxígeno). En nuestro grupo de investigación, nos interesa principalmente el estudio de tres aspectos particulares de la ingeniería de bioprocesos: a) cómo se comporta un cultivo bajo las condiciones estresantes que prevalecen en un fermentador, desde el punto de vista hidrodinámico; b) qué sucede cuando un proceso de fermentación se escala a niveles mayores a los del laboratorio y c) cómo explotar este conocimiento para el desarrollo y diseño de mejores equipos y sistemas de fermentación que puedan ser aplicados en la industria.

Nuestros modelos de estudio han incluido la producción de polisacáridos microbianos (xantana y alginatos), de enzimas de uso farmacéutico o alimentario, la producción de aromas frutales (coco, durazno) y la producción de agentes de control biológico (biofungicidas) para uso en la agricultura.

Polisacáridos microbianos. La producción de goma xantana (producida por la bacteria Xanthomonas campestris y usada como texturizante en la industria de alimentos) es probablemente el proceso biotecnológico más demandante en términos de mezclado, dado que el caldo de cultivo incrementa su viscosidad hasta en cuatro órdenes de magnitud durante la fermentación. Nuestras contribuciones incluyen el establecimiento de condiciones óptimas de mezclado que maximizan, tanto la producción de la goma, como la calidad y rendimiento de ésta en el proceso de recuperación. En el modelo de estudio de alginatos (producidos por la bacteria Azotobacter vinelandii ) se ha determinado que su peso molecular depende en gran medida de las condiciones de cultivo y se ha logrado sintetizar alginatos con características reológicas ad hoc, incluyendo el polímero de más alto peso molecular hasta ahora reportado.

Aromas frutales. Un proceso biotecnológico en el que está involucrado el problema de la homogenización de varias fases es el de producción de aromas frutales por el hongo Trichoderma harzianum, en el cual se usa un aceite vegetal como la fuente de carbono para el microorganismo. Para caracterizar la dispersión agua-aceite-biomasa, se han desarrollado técnicas avanzadas de video digital y de análisis de imágenes, con las que ha sido posible la observación de las dispersiones de gotas de aceite y de burbujas de aire. La dispersión de las fases inmiscibles de la fermentación se ha caracterizado, tanto a nivel macroscópico como microscópico y se han establecido mecanismos de transporte que han permitido, por un lado, entender las complejas interacciones de las fases (incluyendo la sólida, constituida por el hongo productor de los aromas) y por otro, proponer estrategias de cultivo que incrementen la productividad de estas moléculas.

Escalamiento de fermentaciones. Uno de los aspectos más cruciales para lograr fermentaciones exitosas a nivel industrial, es el escalamiento del proceso. Escalar un proceso consiste fundamentalmente en reproducir (y en ocasiones mejorar) lo que se logró a nivel de investigación (generalmente en matraces o fermentadores de laboratorio), en fermentadores de nivel industrial, los cuales tienen volúmenes de cientos de metros cúbicos. Con el escalamiento, también se pretende que el producto se pueda obtener con un costo lo más bajo posible. Escalar un proceso de fermentación involucra la variación de las condiciones ambientales. Los cambios implicados no siempre son bien conocidos y, en consecuencia, los procesos de escalamiento siguen siendo muy empíricos. Nuestro enfoque ha sido el de simular, en un fermentador de laboratorio, las condiciones que imperarían en fermentadores de gran escala. La simulación se ha llevado a cabo usando como parámetro el oxígeno disuelto y generando perfiles oscilatorios mediante un sistema de fermentación computarizado. De esta forma, haciendo experimentos en fermentadores de laboratorio, hemos sido capaces de predecir, en varios modelos biológicos, lo que sucedería cuando se escalara el proceso. Adicionalmente, hemos estudiado el comportamiento de la fermentación en matraces agitados y desarrollado estrategias que permiten escalar el proceso en base a la energía suministrada al sistema.