El largo camino al campo

Los desafíos de la ingeniería de bioprocesos en el desarrollo de un bioproducto de origen microbiológico.

Un bioproducto  es  un  producto  de  origen  biológico  elaborado  para  el  agro,  y  sus  orígenes  tienen  que  ver  con  la  necesidad  económica  de  aumentar  rápido  la  superficie  de  campos  de  cultivo  y  desarrollar  variedades  vegetales  resistentes  al  cambio  climático.  Los  bioproductos  se  clasifican  en:  biocontroladores  –que  protegen  a  los  cultivos  de  pestes  por  medio  de  inducción  de  respuesta  sistémica,  liberación  de  metabolitos  secundarios  y  formación  de  barreras  en  raíces-,  bioestimulantes  –que  gatillan  el  crecimiento  de  la  planta  a  través  de  la  producción  y  modulación  de  hormonas,  del  aumento  de  la  captura  de  nutrientes,  de  la  generación  de  sideróforos  y  de  la  solubilización  de  fosfatos–  y  biofertilizantes  –que  a  través  de  su  alto  contenido  de  nutrientes  biodisponibles  (como  nitrógeno,  fósforo  y  potasio),  impactan  sobre  el  crecimiento  y/o  calidad  de  la  planta–.

En  comparación  con  los  agroquímicos,  el  mercado  de  los  bioproductos  es  una  alternativa  sustentable  y  amigable  con  el  medio  ambiente.  Pero  también  enfrenta  una  serie  de  desafíos,  como  entregar  productos  más  estables  en  el  tiempo,  más  específicos  y  de  mayor  calidad.  Este  artículo  aborda  estos  desafíos  desde  la  perspectiva  de  la  ingeniería  de  bioprocesos.

El  desarrollo  de  un  producto  biológico se  divide  principalmente  en  dos  etapas  consecutivas:  biodescubrimiento,  y  validación  y  producción.  Durante  la  primera  etapa  los  investigadores  realizan  –a  escala  de  laboratorio-  el  aislamiento,  identificación  y  caracterización  de  los  microorganismos  de  interés,  centrándose  en  la  funcionalidad  del  producto.  Luego  de  unos  dos  años,  el  biodescubrimiento  debiera  finalizar  con  un  prototipo,  es  decir,  una  representación  limitada  del  diseño  de  un   producto   que  puede  ser  probado  en  situaciones  reales  y  su  uso,  explorado.

La  etapa  de  validación  y  producción  consiste  en  generar  productos  a  mayor  escala  –  para  lo  cual  es  fundamental  la  ingeniería  de  bioprocesos-  y  verificar  su  eficiencia  por  medio  de  pruebas  en  maceta  y  campo.  Toma  también  unos  dos  años  y  finaliza  con  un  producto  listo  para  ser  comercializado.

¿Qué es la ingeniería de bioprocesos?

Un  bioproceso  es  aquel  proceso  que  utiliza  células  vivas  enteras  o  sus  componentes  (como  bacterias  y  enzimas)  para  obtener  un  producto  deseado.  En  consecuencia,  la  ingeniería  de  bioprocesos  es  una  rama interdisciplinaria  que  integra  química,  biología  y  principios  tradicionales  de  la  ingeniería  para  solucionar  problemas  a  nivel  de  producción,  de  salud  y  de  energía.

En  concreto,  es  una  rama  fundamental  para  la  obtención  de  productos  biológicos,  ya  que  entrega  las  herramientas  para  comprender,  modificar  y  optimizar  bioprocesos,  a  través  del  escalamiento,  de  procesos  fermentativos,  de  la  separación  y  de  la  formulación  del  producto  final.  La  ingeniería  de  procesos  cumple  un  rol  fundamental  tras  el  biodescubrimiento  del/los  microorganismos  de  interés  y  su  enfoque  es  aumentar  los  rendimientos  y  la  productividad  del  proceso.

El  escalamiento  entrega  las  herramientas  para  que  los  resultados  obtenidos  a  escala  de  laboratorio  (menor  a  un  litro)  puedan  ser  replicados  a  escala  piloto  (mayor  a  cinco  litros)  y/o  industrial  (mayor  a  cien  litros).  Permite  maximizar  el  proceso  en  función  de  la  habilidad  de  los  microorganismos  vivos  para  crecer  y/o  fermentándolos  para  sintetizar  un  subproducto  –como  una  proteína-  en  cantidades  comerciales.  El  proceso  fermentativo  -la  conversión  de  sustratos  en  producto  deseado-  es  realizado  en  biorreactores.  Estos  aparatos  son  controlados  para  proveer  las  condiciones  necesarias  -como  aireación,  temperatura  y  agitación-  para  optimizar  el  crecimiento  microbiano  y  sintetizar  el  producto  por  medio  de  tecnologías  ingenieriles.

Esta  rama  de  la  ingeniería  también  estudia  los  procesos  que  involucran  separación  de  las  células  de  los  cultivos,  purificación  y  concentración  del  producto  deseado,  mediante  métodos  de  centrifugación,  cromatografía,  filtración  según  la  naturaleza  química  y  física  del  producto  final,  así  como  el  grado  de  pureza  deseado.  Una  vez  obtenido  el  producto,  se  realiza  su  formulación  para  poder  ser  comercializado.

Escalamiento en el desarrollo  

Uno  de  los  desafíos  más  importantes  de  la  industria  de  los  bioproductos  es  la  disminución  de  los  tiempos  desde  la  identificación  de  un  potencial  producto  hasta  que  éste  es  llevado  al  mercado.  Fases  de  prueba  y  error,  y  el  uso  inadecuado  de  principios  ingenieriles  -especialmente  en  el  área  del  escalamiento  de  los  bioprocesos-  retrasan  la  meta.  El  escalamiento,  es  decir,  el  aumento  de  volumen  del  proceso  previo  en  laboratorio,  requiere  de  una  caracterización  detallada  de  la  dinámica  de  fluidos  en  biorreactores  y de  la  recopilación  de  datos  de  fenómenos  biológicos  dependientes  del  microorganismo  en  estudio.  Por  lo  tanto,  previo  al  escalamiento  se  necesita  de  un  estudio  del  comportamiento  del/los  microorganismos  en  función  de  las  condiciones  de  crecimiento  y  de  producción  de  algún  metabolito  de  interés.  Esto,  a  través  de  la  obtención  de  parámetros  cinéticos  -como  velocidad  de  crecimiento  y  rendimiento  sustrato/producto-  por  medio  de  sensores  y  herramientas  de  muestreo  en  diferentes  locaciones  del  biorreactor,  que  miden  el  efecto  de  factores  hidro  y  termo  dinámicos  en  los  microorganismos.

Sólo  una  visión  integrada  de  todos  los  factores  dinámicos  en  reactores  y  fenómenos  fisiológicos  relacionados  con  los  microorganismos  en  estudio  proporcionará  una  imagen  completa  de  las  respuestas  fisiológicas  y  de  los  tiempos  de  reacción  de  los  organismos  a  mayor  escala.  Resulta  fundamental  una  descripción  adecuada  de  los  datos  de  los  biorreactores  a  escala  industrial  y  de  las  conclusiones  del  efecto  de  cambios  ingenieriles  en  un  mejor  rendimiento  del  proceso.  Hoy  en  día,  un  proceso  consistente  debe  desarrollarse  con la  perspectiva  de  la  escala  final  del  proceso,  a  través  de  una  mirada  integrada  de  la  línea  de  producción  completa  y  de  la  estrategia  de  generación  del  producto.  Basado  en  esto,  las  estrategias  deben  alinearse  con  el  desarrollo,  desde  fases  tempranas  de  selección  al  proceso  final,  y  el  proceso  debe  estar  basado  en  el  escalamiento  y  no  en  el  uso  de  procedimientos  estándares  de  laboratorio  que  han  tenido  otros  objetivos.

Por  lo  tanto,  las  estrategias  de  escalamiento  son  la  clave  del  éxito  de  la  implementación  de  un  bioproducto  en  la  industria,  ya  que  si  se  realiza  de  manera  correcta  entregará  al  mercado  un  producto  a  altas  cantidades  y  con  igual  o  mejor  eficacia  que  aquel  obtenido  a  pequeña  escala,  lo  que  llevará  consigo  ganancias  económicas  para  el  proveedor.  Sin  embargo,  un  escalamiento  sin  base  teórica  concluirá  con  un  producto  comercial  con  menor  efectividad  y,  por  ende,  menor  costo.

La correcta formulación del producto final

La  estabilidad  de  los  bioproductos  durante  el  almacenaje  y  luego  de  su  aplicación  es  una  de  las  mayores  problemáticas  de  la  industria  de  los  bioinsumos.  Por  eso,  la  formulación  es  de  gran  importancia,  debido  a  que  es  el  proceso  por  el  cual  el  ingrediente  activo  (hongo, bacteria,  virus  o  producto  microbiano)  es  suspendido  en  un  vehículo  adecuado  –mediante  técnicas  físicas  o  químicas-  y  suplementado  con  aditivos  para  conformar  el  bioproducto.

La  clave  del  éxito  de  la  formulación  está  basada  en  cuatro  puntos  principales:  estabilización  del  agente  bioactivo  durante  la  distribución  y  almacenamiento,  manejo  y  aplicación  del  producto,  protección  del  agente  bioactivo  de  factores  medioambientales  adversos  y  aumento  de  la  actividad  de  los  agentes  biológicos  en  campo.  Algunos  estudios  han  demostrado  que  la  vida  útil  de  los  bioproductos  varía  según  la  técnica  utilizada  y  el  tipo  de  formulación,  que  actúa  como  puente  entre  la  fermentación  y  la  aplicación  en  campo.

Las  características  y  composición  de  las  formulaciones  de  los  bioproductos  varían  de  acuerdo  con  el  hábitat  (follaje,  suelo,  agua),  reología  del  material  técnico  (viscosidad,  tamaño  de  partícula,  densidad),  modo  de  aplicación  (aéreo,  suelo)  y  concentración  de  la  aplicación.  Mientras  que  el  material  utilizado  como  base  para  la  formulación  mejora  la  sobrevivencia  microbiana  durante  el  almacenamiento.

Existen  formulaciones  líquidas  y  sólidas.  La  elección  de  una  formulación  es  determinante  en  la  calidad  del  bioproducto  comercial.  Una  formulación  líquida  es  de  fácil  preparación  y  manejo,  y  su  pureza  puede  confirmarse  fácilmente.  Pero  posee  corta  vida  útil  y  debe  almacenarse  a  bajas  temperaturas.  Considerando  estas  desventajas,  varios  compuestos  han  sido  estudiados  para  la  protección  de  los  microorganismos  después  de  la  inoculación.  El  objetivo  es  adicionarlos  para  prolongar  su  supervivencia.

Además,  las  formulaciones  líquidas  son  enriquecidas  con  aditivos,  como  glicerol,  goma  arábiga  o  polivinilpirrolidona,  que  pueden  mejorar  la  calidad  de  los  inoculantes  aumentando  su  adherencia  en  el  campo,  la  estabilización  e  inactivación  de  toxinas  solubles  que  se  presenten,  y  la  supervivencia  de  los  microorganismos  después  de  la  exposición  a  las  condiciones  ambientales.  Las  formulaciones  líquidas  son  fáciles  de  aplicar  en  campo,  tienen  mejor  rendimiento,  y  son  accesibles  para  los  pequeños  productores  porque  emplean  materiales  de  bajo  costo.

Dentro  de  las  formulaciones  sólidas  más  utilizadas  se  encuentran  productos  de  proceso  de  liofilización,  microencapsulación  y  secado  por  atomización.  El  proceso  de  liofilizado  entrega  una  alta  viabilidad  de  los  microorganismos  en  el  tiempo.  Sin  embargo  –  además  de  ser  más  costoso-,  puede  causar  desnaturalización  de  las  proteínas  sensibles  y  la  muerte  celular  de  algunos  microorganismos.  Existen  varios  tipos  de  aditivos,  tales  como  azúcares,  que  se  han  utilizado  para  tratar  de  proteger  los  daños  causados  por  la  congelación.

La  microencapsulación,  por  su  parte,  consiste  en  un  gel  polimérico  que  atrapa  células  vivas.  Es  una  tecnología  bien  establecida  con  interesantes  aplicaciones,  ya  que  la  matriz  del  gel  permite  que  las  células  permanezcan  viables  durante largo  tiempo.  Varios  estudios  han  utilizado  como  material  de  encapsulación  alginato,  que  permite  formar  microesferas  de  forma  instantánea  en  presencia  de  cationes  polivalentes  que  se  unen  en  un  solo  paso  a  las  unidades  de  ácido  gulurónico  con  la  adecuada  resistencia  mecánica.  El  objetivo  de  las  perlas  de  alginato  es  atrapar  un  gran  número  de  bacterias.  El  uso  de  células  encapsuladas  como  método  de  aplicación  en  el  medioambiente  tiene  varias  ventajas  sobre  las  formulaciones  en  donde  las  células  se  encuentra  libres:  presentan  una  mejor  protección  contra  el  estrés  biótico  y  abiótico,  mayor  estabilidad,  liberación  controlada,  biodegradación  y  rentabilidad.  Finalmente,  el  método  de  secado  por  atomización  consiste  en  “pellets”  (soporte  sólido)  suspendidos  en  una  corriente  de  aire  que  posteriormente  se  les  atomiza  una  solución  de  recubrimiento.  Este  método  –ampliamente  utilizado  en  la  industria  alimentaria  y  farmacéutica-  tiene  una  alta  tasa  de  producción,  bajo  costo  de  operación,  y  alta  preservación  y  concentración  de  microorganismos.  Es  uno  de  los  métodos  más  comunes  para  preparar  complementos  alimenticios  estables  y  que  ocupan  pequeños  volúmenes.

El futuro

Debido  al  aumento  proyectado  para  el  mercado  de  los  bioinsumos  (15%  de  tasa  de  crecimiento  anual  compuesto,  CAGR)  y  a  la  importancia  de  la  protección  ambiental  y  de  la  seguridad  alimentaria,  se  espera  que  los  biológicos  agrícolas  (biocontroladores,  biofertilizantes  y  bioestimulantes)  se  conviertan  en  los  nuevos  impulsores  de  la  industria  de  insumos  agrícolas  y  asuman  un  rol  importante  para  sobrellevar  las  necesidades  del  mercado.

Nuestro  país  no  difiere  de  estas  tendencias  mundiales,  posee  una  buena  base  científica,  una  fuerza  productiva  y  de  mercado  que  puede  favorecer  el  desarrollo  de  la  industria  de  los  bioproductos  a    nivel  nacional  y  regional,  además  de  contar  con  una  gran  diversidad  genética  en  términos  de  microorganismos.  Pese  a  esto,  la  industria  de  los  bioproductos  presenta  puntos  críticos  que  solucionar,  principalmente  en  cuanto  a  estudios  de  eficacia  en  campo,  desarrollo  y  formulación,  así  como  vida  útil  de  los  productos.  También  es  necesario  establecer  directrices  nacionales  en  relación  a  cada  una  de  las  etapas  de  producción  y  calidad  final  de  los  productos.  Si  se  cumplen  las  proyecciones,  existirá  una  mayor  oferta  de  bioproductos,  aumentando  la  competitividad  y,  por  ende,  gatillando  productos  de  mejor  calidad,  mayor  vida  útil  y  a  costos  competitivos.  Pero,  para  esto,  es  necesario  ampliar  los  conocimientos,  acercarse  y  profundizar  la  ingeniería  de  bioprocesos,  y  mejorar  las  técnicas  de  escalamiento  y  formulación,  puesto  que  influyen  directamente  en  la  producción  y  estabilidad  del  producto  comercial.

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