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

• Autores: Alberto Rodríguez Martín
• Directores de la Tesis: Victoria Eugenia Santos Mazorra (dir. tes.), Félix García-Ochoa Soria (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Número de páginas: 144
• Tribunal Calificador de la Tesis: Domingo Marquina Díaz (presid.), Miguel Ladero Galán (secret.), José Antonio Casas de Pedro (voc.), María Auxiliadora Prieto Jiménez (voc.), Francisco Valero Barranco (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología químicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    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.

  • English

    The development of the bioprocesses has experienced a huge growth in the latter decades. The known advantages of the use of enzymes or whole cells as biocatalysts, coupled with the increasingly stringent energy constraints and the new legal regulations promoted by the international organisms to reduce the pollutant emissions, had focused the attention of the scientific community to this area. Consequently, the applied biotechnology has received a great boost by the public and private institutions. One of the key steps in the development and the start-up of a bioprocess is the scaling-up, which involves the consideration of a large number of variables. Within this field, the study of the influence of fluid dynamic conditions is one of the most relevant aspects, because it determines the relative rates of a set of crucial phenomena in order to ensure the desired behavior of the transformations to be carried out. The fluid dynamic influences the mass transfer rate in the bioreactors, both the contact between the liquid and solid phases (whole cells), and also the gas-liquid transport when one of the substrates is in the gas stream. Moreover, several operational conditions can seriously compromise the biocatalyst integrity, as it occurs in the biological systems with growing cells, due to the collisions between the cells and the solid parts of the reactor or the shear tension produced by the agitation. In addition, if the bioprocess is carried out under aerobic conditions, an oxidative stress can be induced by disequilibrium between the excess of oxygen reactive species and the cell capacity to detoxify the medium...