Gradientes de biorreactores biorreactor.

Los avances en modelos metabólicos, que se han desarrollado sobre la base de experimentos de pulso en cultivos de quimiostatos, por ejemplo, por Reuss et al. para levadura y E. coli en el contexto de la biología de sistemas, y el comportamiento de respuesta de las células descrito por estos modelos se combinaron con modelos dinámicos de fluidos para reflejar y estimar gradientes en cada parte de un biorreactor.

Actualmente, con respecto a los enfoques de calidad por diseño, se abordan varias cuestiones con conceptos de investigación de escala reducida:

1)  Los desarrollos están impulsados por el interés en simular condiciones oscilantes que ya se encuentran en la etapa de selección de nuevas cepas. Actualmente se están desarrollando nuevas técnicas para lograr perturbaciones en placas de micropocillos. Esto es un desafío ya que dichos enfoques deben realizarse en condiciones de limitación de nutrientes, es decir, mediante la aplicación de la tecnología de alimentación por lotes. Los desarrollos recientes, como las microválvulas que se acoplan con micropocillos o sistemas de alimentación basados en biocatalizadores, hacen factibles estos estudios. Las respuestas de los microorganismos a las oscilaciones se investigan en relación con el desarrollo de poblaciones a nivel unicelular. Los nuevos microsistemas permiten seguir tales desarrollos en tiempo real.

2)  Los análisis de células individuales se benefician de los sistemas de indicadores de genes basados en fluorescencia, que proporcionan una nueva perspectiva de la cinética temporal de las respuestas celulares con una resolución sobre la población. Cada vez más herramientas en línea se encuentran en etapa de desarrollo y serán aplicables en los próximos años. La combinación con herramientas en línea que permiten seguir la fisiología y la morfología de células individuales permite utilizar parámetros de ingeniería distintos de los clásicos para diseñar experimentos a escala reducida. Una condición celular similar sería una prueba de que el entorno circundante es probablemente idéntico en las diferentes escalas.

3)  El impacto de factores ambientales perturbadores adicionales en gradientes de biorreactores a gran escala, en la fisiología celular y la heterogeneidad de la población, y los sistemas de reducción de escala adaptados concomitantemente para su investigación, por ejemplo, para la consideración de las concentraciones de dióxido de carbono.

4)  Un análisis más profundo de la red metabólica y la determinación del flujo aumentarán la comprensión general de la respuesta celular dentro de la red reguladora integral en las perturbaciones.

5)  Se necesitan diseños de reactores de escala reducida a medida, debido al hecho de que el flujo de fluido y las condiciones de mezcla varían, ya que básicamente no existe un diseño de gradientes de biorreactores estándar, incluida la ubicación de la adición de alimentación, para ningún tipo de proceso. Para un artículo reciente, véase Lemoine et al. quien realizó estudios en un biorreactor de escala reducida de tres compartimentos, que constaba de dos reactores de flujo pistón basados en un caso industrial. El reactor representa un paso más en el desarrollo de un reactor de dos compartimentos, que constaba únicamente de piezas disponibles en el mercado, y permitió el monitoreo y el muestreo en cinco posiciones a lo largo de la altura de un módulo de flujo pistón de 4 m de largo. Este módulo estaba equipado con mezcladores estáticos y tenía un volumen del 15% del volumen total de líquido.

6)  Para un diseño a escala apropiado, se necesitan nuevas herramientas para caracterizar los gradientes de biorreactores a gran escala. Los primeros enfoques con sensores móviles y sistemas de muestreo se han probado en procesos de biogás, pero también se puede esperar su aplicación en otros bioprocesos.

7) Es necesario realizar estudios de las respuestas microbianas al entorno a gran escala con una gama más amplia de microorganismos. El interés continuo en aumentar constantemente los volúmenes de los reactores en la industria biotecnológica, por un lado, y la presión de los costos de los productos, por otro lado, aumentan la relevancia de la comprensión y el manejo de los efectos a gran escala. Recientemente, por ejemplo, está aumentando la cantidad de artículos que estudian los efectos a gran escala de Corynebacterium glutamicum, uno de los microorganismos más importantes en vista de la cantidad de productos y la escala.