Microorganismos: los nuevos obreros en la industria

Por Felipe Sánchez Banda

Saltillo, Coahuila. 26 de junio de 2017 (Agencia Informativa Conacyt).- En el Departamento de Ingeniería Química (DIQ) de la Facultad de Ciencias Químicas en la Universidad Autónoma de Coahuila (Uadec), un equipo de científicos investiga los usos potenciales de los bioprocesos para aplicaciones industriales.

Con la finalidad de ofrecer alternativas sustentables para diversos sectores, los investigadores del DIQ buscan mantener la calidad en los procesos industriales con opciones generadas a partir de la ciencia.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, Lourdes Morales Oyervides, doctora en ingeniería en procesos, profesora investigadora del DIQ de la Facultad de Ciencias Químicas de la Uadec y candidata al Sistema Nacional de Investigadores (SNI), explica la importancia de los bioprocesos, proyectos relacionados en el DIQ y su trascendencia dentro de la calidad industrial.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Qué es un bioproceso?Dra. Lourdes Morales Oyervides.

Lourdes Morales Oyervides (LMO): Un bioproceso es un proceso específico en donde es posible sintetizar compuestos mediante la acción biológica (microorganismos, células, tejidos) y presenta aplicaciones en sectores industriales diversos.

Los sistemas de producción biológica son indiscutiblemente atractivos porque utilizan recursos básicos renovables tales como luz solar, el agua y el dióxido de carbono para producir una amplia gama de moléculas. Estos procesos pueden ser estudiados y optimizados para proporcionar una síntesis eficiente y de alta calidad de productos. En otras palabras, los microorganismos pueden ser controlados de tal manera que se sintetice el compuesto de interés a los niveles de producción deseados. Las condiciones de producción óptimas dependerán de muchos factores que van desde nutrimentales, ambientales y hasta microbiológicos.

El estudio de todos estos factores proveerá la información necesaria para la optimización del proceso de producción de un compuesto de interés vía microbiológica. En general, para que un bioproceso pueda ser llevado a cabo a nivel comercial es necesario que el bioproceso sea robusto, con altos rendimientos de producción, tiempos de proceso relativamente cortos, así como también de bajo costo para que sea rentable.

AIC: ¿Cuál es su importancia científica e industrial?

LMO: Además de proporcionar rutas nuevas a productos bien establecidos, la ingeniería de bioprocesos se está utilizando para producir productos completamente nuevos. Actualmente se ha tenido un gran impacto en la obtención de compuestos con aplicaciones en diversas áreas tales como la salud, ambiental, agrícola, farmacéutica y alimentaria.

Es por ello que muchos países han reconocido su valor y desarrollan planes estratégicos para el impulso de una bioeconomía basada en el uso de la biotecnología y bioingeniería para la regeneración industrial, fomentando la creación de empleo y con ello un progreso social. Sin embargo, a pesar de su gran potencial, muchos de los bioprocesos que se desarrollan a escala laboratorio no llegan a implementarse a escala industrial, siendo esto principalmente el deficiente estudio del proceso a nivel laboratorio o la falta de implementación de calidad desde las etapas de diseño.

AIC: ¿A que se refiere con calidad desde el diseño y cómo puede aplicarse?

LMO: La premisa esencial del concepto de calidad desde el diseño o calidad por diseño (quality by-design, QbD) es que “La calidad no puede evaluarse en el producto, la calidad debe implementarse desde las etapas iniciales del proceso”. Esta filosofía se ha implementado en diversas industrias como la automotriz y farmacéutica y representa una evolución del sistema de calidad seis sigma.

En las industrias en donde se aplica la metodología de seis sigma, se han identificado los costos relacionados con un pobre diseño del producto en el que los objetivos de mejora continua del proceso son generalmente superados por los costos de implementación. Esto ha llevado al reconocimiento de que sin el diseño suficiente para la calidad, los procesos se enfrentan a una "barrera" antes de alcanzar el seis sigma. Como resultado, la filosofía calidad por diseño ha surgido como una posible solución. El concepto clave de QbD es la comprensión del proceso para identificar los parámetros críticos del mismo y las fuentes de variación tales como las características de las materias primas, su relación y su impacto en el producto final. Esta comprensión permite al investigador manipular los factores que pueden ser controlados bajo rangos que impidan resultados negativos por los factores que no son controlables.

En el caso particular de un bioproceso, su resultado dependerá de un gran número de variables que resultará en un rendimiento final particular del proceso. Por lo tanto, es necesario seleccionar y aplicar un diseño experimental adecuado para minimizar la cantidad de recursos necesarios para identificar el punto óptimo de operación con confianza. Por otro lado, la obtención de respuestas óptimas (mayores rendimientos) no es el único objetivo. La consistencia de estas respuestas es igualmente importante (en este caso, la variabilidad de los rendimientos de lote a lote o con el tiempo para un proceso continuo). Esto es particularmente relevante en los bioprocesos porque las entidades biológicas son notoriamente variables, y esta variabilidad en las características del sistema causa una variabilidad en los resultados. En QbD la consistencia es crucial, por lo que su implementación en la ingeniería de un bioproceso es clave para su implementación a nivel industrial.

AIC: ¿Qué investigaciones se realizan sobre este tema en el Departamento de Ingeniería Química de la institución?

LMO: El grupo de trabajo conformado por el doctor Julio Montañez, el maestro en ciencias Alejandro Méndez, el doctor Roberto Benavente y tu servidora cuenta con amplia experiencia en el desarrollo de bioprocesos para la obtención de compuestos de alto valor agregado en áreas como alimentaria, farmacéutica, agrícola y ambiental.

Particularmente se ha trabajado con la producción microbiana de pigmentos (carotenoides, violaceína, actinorodina, etcétera) y algunos otros metabolitos con propiedades nutracéuticas y cosméticas tales como coenzima Q10, ácidos grasos (omega 3, 6 y 9) y ácido poli-gamma glutámico (γ-PGA). Los procesos antes mencionados han sido optimizados para lograr altos rendimientos de producción en tiempos relativamente cortos, además de considerar la consistencia de esos procesos estudiados.

Bioprocesamiento de microalgas.En las investigaciones realizadas, se plantea la búsqueda integral de un óptimo mediante la aplicación de metodologías de optimización, el diseño de experimentos y el uso de modelos matemáticos para identificar los factores críticos del proceso que consideren no solo maximizar resultados sino también su consistencia. Aunado a esto, la evaluación de la factibilidad en el escalamiento del proceso de producción y recuperación de compuestos previamente mencionados ha sentado las bases para una perspectiva futura de implementación a escala semicomercial.

AIC: ¿Cuáles han sido los principales resultados de estos proyectos?

LMO: Se ha logrado escalar los procesos de producción de pigmentos y carotenoides a nivel piloto siguiendo un enfoque sistemático gradual, aplicando el concepto de calidad desde el diseño. Se han evaluado y seleccionado aquellos procesos que son factibles técnica y económicamente para llevar su producción a un nivel industrial.

Recientemente se trabajó con la optimización del proceso de producción del polímero ácido poli-gamma glutámico en colaboración con el Departamento de Biomateriales del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) a cargo del doctor Jorge Romero. El ácido poli-gamma glutámico es un polímero con características interesantes, dentro de las que podemos destacar: es biodegradable, no tóxico y posee propiedades no inmunogénicas. Por sus propiedades ha sido aplicado en la industria de los alimentos y farmacéutica. El proceso de producción ha sido optimizado y escalado a nivel piloto en el Departamento de Ingeniería Química.

Los métodos de optimización y escalamiento utilizados permitieron determinar puntos óptimos del proceso considerando no solo el impacto en el rendimiento de la producción sino en la consistencia de ese rendimiento. Los parámetros críticos del proceso y las fuentes de variación, su relación y el impacto en el polímero final fueron identificadas y entendidas. Esto permitió manipular las variables del proceso para obtener cierto objetivo, ya sea mayor producción de ácido poli-gamma glutámico o un ácido poli-gamma glutámico con un peso molecular específico.

AIC: ¿Cuál es el futuro de estos proyectos?

LMO: El desarrollo e implementación de bioprocesos a nivel industrial representa un enorme potencial para satisfacer la demanda mundial de alimentos, combustibles, farmacéuticos y otros compuestos mientras que reduce el impacto en el medio ambiente. Por otro lado, la biotecnología industrial en México se encuentra en fase de expansión y diversificación ya que es una rama de la ciencia fundamental para lograr el desarrollo científico y tecnológico del país. Sin embargo, en cuanto a biotecnología industrial se refiere, el número de empresas biotecnológicas en México es limitado.

No obstante, el avance tecnológico en el área de la ingeniería de bioprocesos despliega oportunidades significativas para facilitar la implementación de la calidad desde las etapas de diseño. Por avance tecnológico me refiero a las herramientas analíticas que ofrecen un análisis rápido de las características del producto y más importante la integración de sistemas de monitoreo y control de las condiciones de operación de los bioprocesos. Estas herramientas permiten obtener toda la información necesaria para la comprensión completa tanto del proceso como del producto para ser capaces de adoptar la filosofía de QbD y así, finalmente, poder llevar los bioprocesos desarrollados en el laboratorio a un nivel industrial. 

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