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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 […]
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.
Escrito por: Denise Cifuentes Bachmann, Investigadora Postdoctoral UC Davis Chile.
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