Modelamiento matemático y optimización del proceso de producción de polihidroxialcanoatos empleando la bacteria Burkholderia cepacia B27 a partir de ácidos grasos

Abstract

En el presente trabajo se desarrolló un modelo matemático que reproduce el comportamiento de la bacteria Burkholderia cepacia B27 en el proceso de producción de PHAs (Polihidroxialcanoatos) con aceite vegetal, con el fin de ser utilizado para plantear alternativas de optimización del proceso. Los efectos de inhibición y limitación por la fuente de carbono y nitrógeno fueron verificados con experimentos en Erlenmeyer y bioreactor, otros fenómenos como la inhibición por producto y biomasa fueron estudiados, encontrando que la consideración de inhibición por biomasa permite predecir los experimentos por lote con alta concentración de sustratos. También se observó cambio en el rendimiento biomasa-nitrógeno dependiendo de la disponibilidad de nitrógeno en el medio de cultivo, por lo que se incluyó una función para este parámetro. El modelo desarrollado presentó un buen ajuste para los perfiles de biomasa, producto y sustratos (E≈ 0.85), lo que indica que el modelo propuesto explica correctamente el proceso de producción de PHAs. Para la optimización del proceso se evaluaron diferentes estrategias operacionales, alcanzándose concentraciones de biomasa de 15.5 g/L peso seco con acumulación del 86 % en polímero. Como resultado de la optimización, se lograron mejoras en el rendimiento de la producción, aproximadamente del 20 %. Finalmente, se observa que es necesario evaluar la influencia de diversos factores (biomasa, concentración de polímero) que impiden obtener concentraciones de biomasa mayores, con el fin de aumentar los rendimientos y la productividad del proceso.

Abstract. In the present work a mathematical model which simulate the behavior of the bacteria Burkholderia cepacia B27 with vegetal oil as substrate for the production of polyhydroxyalkanoates (PHA) was developed. The model was thereafter extrapolated to fed-batch to identify various nutrients feeding regimes during the biorreactor cultivation to improve the PHB production. The inhibition and limitation effects of carbon source and nitrogen on growing were verified with flask experiments and biorreactor, other phenomena as inhibition by product and biomass were studies, the results showed inhibition by biomass allows fittest prediction for high substrate concentration experiments. Modifications on biomass-nitrogen yield depending on nitrogen availability were also observed, since a function for this parameter was included. The developed model shows a good fitting with experimental data (E≈ 0.85), which means model explain the PHAs production process. In the process optimization, several operational strategies were evaluated, the best results reached biomass concentration of 15.5 g/L with an overall PHA content of 86 %. The optimization improves the production in, approximately, 20 %. Finally, it is necessary make more efforts to evaluate the influence of inhibition factors, to obtain better process productivity.