Modelos cibernéticos de biorreactores para optimización, monitoreo y control

InvestigaciónImportancia – Los microorganismos naturales y genéticamente modificados son medios de producción críticos para una creciente cantidad de aplicaciones en áreas tan diversas como alimentación, medicina, control de plagas, producción de biogás y nuevos materiales. Por la naturaleza innovadora de los productos biotecnológicos, la migración desde los ensayos de laboratorio a la producción a escala industrial se realiza en un contexto de elevada incertidumbre que afecta significativamente la productividad, la reproducibilidad y los costos operativos. El desarrollo de modelos fundamentales de un biorreactor es una herramienta clave para aumentar la eficiencia y la eficacia de los bioprocesos.

Problemática – La respuesta de un microorganismo a cambios en las condiciones abióticas de su entorno son el resultado de la activación/desactivación de las distintas rutas metabólicas controladas por el genoma regulatorio. La insuficiente comprensión tanto del metabolismo como su regulación son un obstáculo para el escalado de bioprocesos innovadores. El desarrollo de modelos matemáticos de baja complejidad que capturan la esencia de los mecanismos regulatorios que afectan la expresión de las proteínas de interés representan un gran desafío por las escasas medidas de los metabolitos intracelulares que a menudo se dispone. Los modelos cibérneticos del metabolismo ofrecen una alternativa muy atractiva porque están basados en un enfoque teleológico del comportamiento del microorganismo que modela al genoma regulatorio usando metas y objetivos que sirven como hipótesis explicativas de las respuestas observadas a las condiciones variantes en el tiempo dentro del biorreactor (pH, Temperatura, concentración de nutrientes, metabolitos producidos, etc.,).

Objetivos – Desarrollo de modelos cibernéticos como una abstracción (modelo reducido) de modelos más complejos del metabolismo celular con el deliberado objetivo de abordar problemáticas como maximización de la productividad y control de la reproducibilidad. A partir del modelo cibernético, se aspira a desarrollar una metodología de monitoreo del biorreactor sobre la base de caracterizar la evolución en el tiempo deseada de un lote usando medidas inferenciales como ORP, pH, turbidez, conductividad y producción de CO2. Finalmente, a partir del modelo cibernético se espera desarrollar una metodología de control por probing y ajuste de la política de operación para “excitar” distintas respuestas metabólicas y adecuar las condiciones abióticas en el biorreactor con el objetivo de mantener o mejorar la productividad.

Contacto: Dr. Ernesto C. Martínez (ra.vo1548118277g.tec1548118277inoc-1548118277efatn1548118277as@it1548118277ramce1548118277)