Formulación de un modelo metabólicamente estructurado para optimizar la producción de Polihidroxialcanoatos (PHA) a partir de Burkholderia cepacia. (2019)
El mejoramiento de procesos debe ser soportado en análisis cuantitativos que permitan tomar decisiones, reduciendo la incertidumbre. Los modelos matemáticos de procesos fermentativos permiten predecir su comportamiento, tanto en estado estacionario como en condiciones dinámicas, por lo que son una herramienta clave en el mejoramiento de estos procesos. El grupo de Bioprocesos de la Universidad Nacional de Colombia ha estado estudiando la producción de Polihidroxialcanoatos desde el aislamiento de cepas promisorias hasta su producción en planta piloto (100 L) empleando una cepa hiperproductora de Burkholderia cepacia y como fuente de carbono ácidos grasos; sin embargo, se han presentado desafíos para aumentar la concentración de producto y la productividad del proceso. El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo matemático que simule el crecimiento y producción de PHB en la cepa B cepacia B27, considerando los cambios metabólicos que ocurren entre las fases de feast and famine, y que permita la optimización del proceso. Para lograr este objetivo fue necesario: i) identificar el comportamiento de la cepa mediante fermentaciones batch, ii) caracterizar el metabolismo en varias etapas del cultivo mediante MFA lineal, iii) identificar condiciones ambientales clave que definen el cambio entre las fases feast and famine, y la activación del nuevo comportamiento metabólico, iv) ajustar modelos semi-empíricos para cada fase y, v) validar el modelo con la estrategia operacional óptima (lote alimentado). Los resultados muestran que los flujos metabólicos experimentan cambios significativos entre las dos fases: las vías metabólicas se ajustan para dirigir el carbono, en mayor proporción, hacia el crecimiento en la fase de feast, y a la producción de PHB en la fase famine. Además, la relación C/N fue identificada como el parámetro de correlación clave para la transición entre las dos fases. Adicionalmente, para la fase famine se detectó un periodo de adaptación, este periodo es el tiempo que requiere el ajuste de la maquinaria metabólica para el nuevo objetivo. El lote alimentado para optimizar el proceso emplea pulsos para la adición de las fuentes de carbono y nitrógeno, por separado. La alimentación permite extender la fase feast y obtener mayores concentraciones de biomasa, lo que genera mayores concentraciones de PHB al final del proceso.