El grupo se dedica al estudio de los factores hidrodinámicos que ocurren en fermentaciones, principalmente aquellas de reología compleja, cuyas propiedades están determinadas por la presencia de polisacáridos o por biomasa de morfología filamentosa. El grupo estudia a detalle las dispersiones multifásicas que ocurren en procesos de fermentación y también estudia efectos de escalamiento y aspectos del desarrollo de bioprocesos de interés industrial. Se han usado varios modelos biológicos; destacando recientemente Azotobacter vinelandii y Trichoderma harzianum. En el caso de los cultivos miceliares, se llevan a cabo estudios encaminados a un mejor entendimiento de las relaciones morfología-diferenciación celular-productividad. Desarrollamos bioprocesos para la producción de agentes de control biológico en la agricultura y métodos para la cuantificación de enfermedades fúngicas en mangos. A continuación se resumen los avances más importantes en las principales áreas de estudio.

Estudio de los problemas de mezclado en biorreactores que involucran hasta cuatro fases (G. Cokidi, A. Rojas, M.S. Córdova, A. Falcón, D. Cuervo, R. Sanjuan, E. Galindo). Varios procesos industriales, ambientales, minerales o petroquímicos, entre otros, involucran la dispersión de varias fases y por lo general, son sistemas altamente complejos y muy difíciles de caracterizar. Nuestro grupo de investigación, desde hace varios años se ha enfocado a la caracterización cuantitativa y dinámica de la dispersión multifásica, en tanques agitados, a nivel microscópico mediante técnicas avanzadas de análisis de imágenes, utilizando como sistema modelo un proceso tetrafásico para la producción de aromas frutales por Trichoderma harzianum. En este período, utilizando la cámara digital de video de alta velocidad acoplada al estereomicroscopio y varios arreglos experimentales, se documentaron las inclusiones de microgotas de la fase acuosa y de burbujas de aire dentro de las gotas de aceite. De esta forma se busca entender los mecanismos por los cuales se forman las estructuras complejas (vg. gotas de aceite conteniendo en su interior gotas de agua y/o burbujas de aire) en las dispersiones multifásicas. Este trabajo se realizó en colaboración con los Doctores Gabriel Corkidi y Alfonso Rojas, del Laboratorio de Imágenes ÐIBT. Algunos de los resultados se presentaron en una ponencia en el 8th World Congress of Chemical Engineering, realizado en Montreal, Canadá, del 23 al 27 Agosto de 2009 y en un trabajo libre oral en el XIII Congreso Nacional de Biotecnología y Bioingeniería de la Sociedad Mexicana de Biotecnología y Bioingeniería, realizado en Acapulco, Guerrero del 21 al 26 Junio de 2009.

Por su parte, Axel Falcón en el trabajo experimental de su tesis de maestría en Ciencias Bioquímicas, con el boroscopio y la cámara de alta velocidad en diferentes posiciones de los ejes x,y,z dentro del tanque, obtuvo las distribuciones de tamaño de las gotas de aceite y burbujas de aire de dispersiones bifásicas líquido Ð gas y líquido Ð líquido así como de la dispersión trifásica líquido Ð líquido Ð gas. De esta forma se busca hacer un ÒmapeoÓ de las diferentes zonas de dispersión del tanque. Parte de estos resultados se presentaron en un cartel dentro del XIII Congreso Nacional de Biotecnología y Bioingeniería de la Sociedad Mexicana de Biotecnología y Bioingeniería en Acapulco, Guerrero realizado del 21 al 26 Junio de 2009.

Por otra parte, Diego Cuervo realiza la evaluación del efecto simultáneo de la biomasa y la proteína sobre la dispersión de aceite y aire utilizando la técnica de microestereoscopía, lo que conforma el trabajo experimental de su tesis de maestría en Ciencias Bioquímicas. Con respecto al proceso de segmentación de las imágenes, en colaboración con el grupo de Imágenes del IBt, el Dr. Alfonso Rojas desarrolla los algoritmos necesario s para realizar la segmentación de gotas y burbujas en forma semi-automática de manera que la evaluación sea en una forma más rápida y menos cansada para el evaluador.

Finalmente, René Sanjuan, en una estancia temporal en el grupo como parte de su Doctorado en Ingeniería, utiliza el sistema de alta velocidad para estimar el perfil de velocidad de las gotas de aceite en una dispersión aceite - agua dentro de un tanque de mezclado a diferentes condiciones de agitación. Con esta información se busca hacer un mapa vectorial a partir de registros visuales.

Estudio de los principales aspectos que determinan la cantidad y las características químicas de alginatos producidos por fermentación ( C. Peña, M. Tania Castillo, Celia Flores, E. Lozano, I. Gaytán, Luis A. Ramírez, Jens Kahlen y E. Galindo) (G. Espín, J. Büchs ). Los alginatos son polisacáridos utilizados como agentes gelificantes y viscosificantes en las industrias de alimentos y farmacéutica. Estos biopolímeros se extraen de algas marinas pero también es posible producirlos por fermentación, usando bacterias como Azotobacter vinelandii. Desde hace varios años, nuestro grupo ha estado interesado en el entendimiento de los factores de la fermentación que determinan la cantidad y la calidad del alginato, con el propósito de mejorar el proceso biotecnológico y lograr eventualmente hacerlo competitivo industrialmente. En este período se ha logrado avanzar en el entendimiento de la influencia de la VTO/VCO en condiciones de limitación (0.5% de TOD) y no limitación (5% de TOD) sobre la producción y polimerización del alginato. Actualmente sabemos que el incremento de la VTOmax, promueve una mayor producción de alginato por unidad celular. A diferencia, la polimerización del alginato, evaluada a través del análisis del peso molecular promedio, disminuye de 500 kDa a 50 kDa cuando se incrementa la VTOmax del cultivo de 20 a 80-100 mmol/L h independientemente de la TOD del cultivo. En estas actividades ha participado Jesús Esteban Lozano como estudiante de maestría y Celia Flores como estudiante de Doctorado. En esta misma línea de trabajo, durante el período se estudió la influencia de la geometría del impulsor y la agitación sobre la calidad del alginato, específicamente sobre el peso molecular del polímero en reactores de tipo tanque agitado. Los resultados demuestran que tanto la producción de alginato como el peso molecular del polímero están fuertemente influenciados por la hidrodinámica del fermentador. Es importante señalar que las características químicas del alginato, especialmente el peso molecular promedio y el índice de polidispersión (IP), se vieron afectados por la hidrodinámica del fermentador, observándose que cuando la εmax fue menor (4.31 m2/s3), el peso molecular del alginato fue 15 % mayor respecto al obtenido a alta εmax (6.5 m2/s3 ).

Con este tema de investigación se graduó el Ing. Jens Kahlen de la RWTH- Aachen University, bajo la dirección del Dr. Carlos Peña, quien llevó a cabo una estancia sabática en esa universidad alemana. En el área del escalamiento se ha logrado avanzar en el entendimiento de los cambios de variables como el consumo de potencia y transferencia de oxígeno que se presentan durante la producción de alginato en matraces bajo diferentes condiciones de agitación y v olúmenes de llenado. Los resultados obtenidos hasta ahora permitirán reproducir (en fermentadores agitados) el desempeño típico de los procesos biológicos que ocurren a nivel de matraces y de esta manera proponer estrategias de escalamiento (basadas en el conocimiento fundamental de las variables de operación) a fermentadores de mayor volumen.

.Por otra parte, se llevó a cabo la caracterización química y reológica de los alginatos sintetizados por la cepa mutante ATCN4 de Azotobacter vinelandii, tanto en matraces como en cultivos en fermentador bajo condición de oxígeno controlado. Esta mutante lleva una inserción en el gen nqrE (que codifica para una subunidad del c omplejo ubiquinona oxidoreductasa), lo que implica una inactivación del gradiente transmembranal de sodio, resultando en una sobreproducción de alginatos (fenotipo mucoide) aproximadamente cuatro veces más que la cepa parental. Resultados preliminares indican que la acetilación y propiedades reológicas del alginato producido por la cepa mutante está fuertemente influenciado por la fuente de nitrógeno y la tensión de oxígeno disuelto del medio. En este proyecto participó Itzel Gaytán como estudiante de maestría.

Finalmente, se iniciaron estudios con relación al efecto de la velocidad específica de crecimiento y la tensión de oxígeno disuelto sobre la acetilación del alginato sintetizado por A. vinelandi ATCC9046. En el presente período se ha logrado avanzar el montaje y validación de un método para la cuantificación de acetil CoA/CoASH en A. vinelandii, así como la implementación de la metodología para la determinación de la actividad acetil transferasa en cultivos de A. vinelandii En este proyecto ha participado Tania Castillo Marenco como estudiante de doctorado.

Bioprocesos con cultivos miceliares (L. Serrano, C. Flores, R. Tinoco, M.A. Contreras, A. Acevedo, U. Barreto, F. Amezcua, C. Yáñez, E. Galindo) (M. Trejo). En este período, se estudió la producción e inducción de lacasas en cultivos de Pleurotus ostreatus. El grupo inició estudios encaminados a incrementar significativamente la producción de lacasas por Pleurotus ostreatus. Se demostró que este hongo produce dos lacasas con propiedades catalíticas con gran potencial para la oxidación de compuestos xenobióticos.

En esta área se graduó de maestría Martha Alicia Contreras y llevó a cabo su tesis de Licenciatura Ulises Barreto. En cuanto al proceso de producción, se llevó a cabo una estrategia de producción en dos etapas. La primera consiste en incrementar significativamente el crecimiento del hongo para, posteriormente, adicionar diferentes inductores (químicos y biológicos) con el fin de iniciar una etapa de producción acelerada de las enzimas. Este trabajo constituyó la tesis de Licenciatura de Abisai Acevedo. Mediante esta estrategia se logró incrementar 50 veces la actividad volumétrica global del proceso sin un incremento importante del tiempo de proceso. Asimismo, se inició el estudio de los efectos hidrodinámicos sobre el crecimiento y la productividad de los cultivos. Se demostró que es posible manipular la velocidad específica de crecimiento de los cultivos mediante el control de la potencia suministrada al caldo y que la productividad específica de las lacasas presenta un máximo a una velocidad específica de disipación de energía de 1 KW/m3 s. Este trabajo constituyó la tesis de licenciatura de Fabiola Amezcua. Parte de estos trabajos se llevan a cabo en colaboración con la Dra. María Refugio Trejo, del CEIB-UAEM.

Desarrollo y evaluación de agentes de control biológico de enfermedades en la agricultura ( L. Serrano, A.L. Muñoz, F. Jiménez, E. Galindo) (M. Ortíz, V. Albiter) (G. Corkidi, J.C. Sangabriel). Este proyecto pretende el desarrollo de una tecnología de proceso que permita la producción y formulación de productos de control biológico de enfermedades de cultivos agrícolas de importancia en nuestro país. Con apoyo de un proyecto del Fondo Mixto CONACyT - Morelos, destacan las pruebas de campo que, por primera vez, se llevaron a cabo a un a nivel comercial, en conjunto con una empresa exportadora de mango al mercado japonés, de un producto a base de B. subtilis para el control de la antracnosis del mango. Las pruebas demostraron la efectividad del producto para el control de la enfermedad así como un incremento significativo en las utilidades de los productores de mango al obtener un mejor precio de mercado debido a un incremento en la calidad del fruto que les permitió acceder a mercados de exportación.

Asimismo, se llevó a cabo la gestión y seguimiento de los trámites para la obtención de registros (sanitarios y agrícolas) para los biofungicidas, así como en la integración de un plan de negocios para la posible comercialización de la tecnología. Una empresa que se está incubando en el Centro Morelense de Innovación y Transferencia de Tecnología ha iniciado negociaciones para la adquisición de los derechos de uso de la tecnología.

Por otra parte, con apoyo de un proyecto del Fondo Mixto CONACyT - Edo. de Veracruz, se finalizó y validó el diseño y construcción de un prototipo robusto para la cuantificación de la calidad del mango, usando técnicas de análisis de imágenes previamente desarrolladas. Juan Carlos Sangabriel desarrolló su tesis de licenciatura en ese proyecto.

Otro de los agentes de control biológico que estudiamos es Trichoderma spp. En colaboración con el M.C. Armando Carrillo del CIAD-Culiacán se han aislado cepas con potencial para el control de la fusariosis del garbanzo y del tomate. Hemos desarrollado un proceso para la producción de esporas en cultivo sumergido que ha demostrado ser eficiente para todas las cepas evaluadas. Sin embargo, uno de los cuellos de botella para el desarrollo de estos productos es la baja vida de anaquel de las esporas deshidratadas mediante secado por aspersión. Los factores principales de daño celular son la alta temperatura durante el proceso de secado y los procesos de oxidación que ocurren durante el almacenamiento.

Durante este periodo se llevó a cabo el estudio de la evaluación de las propiedades termodinámicas de los soportes de microencapsulación y los parámetros de proceso sobre la estabilidad térmica y oxidativa de las esporas de Trichoderma sometidas al secado por aspersión. Se demostró, que los soportes (o sus mezclas) de microencapsulación que presentan una mayor resistencia al secado (medida como una Energía de activación) permiten una mayor sobrevivencia de las esporas de Trichoderma durante el proceso de secado por aspersión. La técnica de citometría de flujo demostró que el principal daño celular durante el proceso de secado ocurre a nivel de la pared celular de las esporas. Este trabajo constituye la tesis de doctorado de Ana Laura Muñoz.