Modelado de bioprocesos: relaciones matemáticas entre el medioambiente y el material biológico

Abstract

En esta tesis se presenta una propuesta para el modelado de bioprocesos utilizando modelos Semifísicos de Base Fenomenológica (MSBF). Para llegar a esta propuesta se realizó una revisión de literatura sobre las diferentes metodologías de modelado de procesos químicos y de bioprocesos existentes y las características que estos últimos presentan. Además, se explican las debilidades de estas metodologías cuando se aplican al modelado de bioprocesos. Se encuentra que el principal inconveniente de estas metodologías es que no consideran explícitamente la interacción existente entre el medioambiente y el material biológico, al menos de forma descriptiva desde la fenomenología. Posteriormente, se plantean funciones matemáticas para describir la relación entre el medioambiente y el metabolismo celular basada en los fenómenos de transporte de masa, calor y cantidad de movimiento y analogías de proceso. Como consecuencia de lo anterior se modifica la metodología de modelado de procesos propuesta por Alvarez et al. (2014), que se prueba modelando un bioproceso con la bacteria Escherichia coli utilizando las herramientas propuestas (funciones matemáticas y metodología de modelado). El modelo resultante se valida con datos experimentales obtenidos de Jahan et al. (2016). Se concluye que con los resultados de esta investigación se tienen nuevas herramientas matemáticas descriptivas de la interacción célula-medioambiente en los bioprocesos, lo cual ayudará a mejorar actividades como el escalado, el diseño, la optimización y el control automático de los mismos.

Abstract: This thesis presents a proposal for bioprocesses modeling using Phenomenological Based Semiphysical Models (PBSM). To formulate this proposal, a literature review is realized about different existing methodologies for modeling of chemical processes and bioprocesses and their characteristic. In addition, the weaknesses of these methods when they are applied to bioprocess modeling are explained. The main obstacle of these methodologies is that they do not consider explicitly the interaction between the environment and the biological material, at least in a descriptive way from phenomenology. Later, mathematical functions are proposed for the relationship between the environment and cellular metabolism based on transport phenomena (mass, heat and momentum) and process analogies. As a result of the above, the methodology for the modeling of bioprocesses proposed by Alvarez et al. (2014) is modified. Finally, a bioprocess, using the Escherichia coli bacteria, is modelled through proposed tools (mathematical functions and modeling methodology) and the resulting model is validated with experimental data obtained from Jahan et al. (2016). It is concluded that with the results of this research new descriptive tools about that interaction in bioprocesses are available, which will help to improve engineering activities such as scaling, design, optimization and processes control.