Desarrollo de una estrategia tecnológica y de negocio para la producción de celulosa bacteriana en un biorreactor de disco rotatorio

Abstract

La celulosa bacteriana (CB) es un nanomaterial de especial interés debido a sus excelentes propiedades mecánicas, capacidad de retención de agua y biocompatibilidad sumado a la posibilidad de ser obtenida con una mayor pureza con respecto a la celulosa de origen vegetal. Estas características confieren un elevado potencial de aplicaciones tecnológicas en áreas como la industria de alimentos, biomedicina, cosméticos, textiles, entre otras. No obstante, subsisten brechas que deben ser abordadas para potenciar la transferencia tecnológica y promover el desarrollo de nuevos negocios a partir de este material. En particular, cabe destacar los bajos rendimientos productivos que se obtienen mediante métodos convencionales, lo que representa el principal desafío para su explotación industrial. Para hacer frente a estas limitaciones, se han realizado esfuerzos para el desarrollo de estrategias que permitan aumentar la producción de CB y mejorar sus propiedades. Lo anterior, mediante la búsqueda de nuevos métodos productivos y el uso de herramientas de optimizar parámetros operacionales del bioproceso. La investigación realizada en esta tesis se enfocó en proponer una estrategia innovadora y de alto rendimiento para producir CB mediante un biorreactor de disco rotatorio (BDR). Este tipo de reactores proveen de condiciones favorables para aumentar la formación de biopelículas y la producción de CB respecto a otras tecnologías. La investigación abordó una etapa experimental para obtener parámetros cinéticos de crecimiento microbiano y producción de CB a escala de matraces. Posteriormente, se trabajó en el diseño de un BDR con la capacidad de monitorear múltiples variables operacionales y facilitar la investigación de parámetros críticos de fermentación tales como temperatura, pH, distancia entre discos, velocidad de agitación, entre otros. El análisis matemático realizado en base a modelos previamente reportados y datos obtenidos experimentalmente permitió simular el comportamiento cinético y obtener parámetros de productividad máxima. Finalmente, el análisis de patentes señaló que los principales enfoques productivos para la inserción de CB en el mercado para el modelo de negocio propuesto debe orientarse a la industria de los alimentos, biomedicina, cosméticos e industria textil.

Bacterial cellulose (BC) is a nanomaterial of special interest due to its excellent mechanical properties, water retention capacity and biocompatibility, in addition to the possibility of being obtained with greater purity than cellulose of plant origin. These characteristics confer a high potential for technological applications in areas such as the food industry, biomedicine, cosmetics, textiles, among others. However, there are still gaps that need to be addressed to promote technology transfer and the development of new businesses based on this material. It is worth nothing the low production yields obtained by conventional methods, which represents the main challenge for its industrial exploitation. To address these limitations, efforts have been made to develop strategies to increase BC production and improve its properties. This has been done through the search for new production methods and the use of tools to optimize operational parameters of the bioprocess. The research conducted in this thesis focused on proposing an innovative and high-performance strategy to produce BC using a rotating disk bioreactor (BDR). This type of reactor provides favorable conditions to increase biofilm formation and BC production with respect to other technologies. The research addressed an experimental stage to obtain kinetic parameters of microbial growth and BC production at flask scale. Subsequently, work was carried out on the design of a BDR with the capacity to monitor multiple operational variables and facilitate the investigation of critical fermentation parameters such as temperature, pH, distance between disks, agitation speed, among others. Mathematical analysis based on previously reported models and experimentally obtained data allowed simulating the kinetic behavior and obtaining maximum productivity parameters. Finally, the patent analysis pointed out that the main productive approaches for the insertion of BC in the market for the proposed business model should be oriented to the food industry, biomedicine, cosmetics and textile industry.