SIMULACIÓN, OPTIMIZACIÓN Y ANÁLISIS DE PROCESOS DE FERMENTACIÓN MEDIANTE EL LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN R

Ponente(s): Juan Manuel Gutiérrez García, Elisa Domínguez Hüttinger y Juan Carlos González Hernández

Los procesos de fermentación en biorreactor implican una serie de reacciones bioquímicas complejas difíciles de predecir y controlar cuando no se cuenta con modelos matemáticos calibrados y validados experimentalmente. Sin embargo, en las fermentaciones donde se usan consorcios de levaduras, como en la producción de mezcal o tequila, es difícil encontrar un modelo matemático adecuado para describir el proceso. Por esta razón es importante ser capaz de evaluar y calibrar diferentes modelos matemáticos de forma rápida y sencilla. El presente proyecto tiene por objetivo el desarrollo de herramientas computacionales que permitan automatizar y estandarizar la obtención de parámetros cinéticos, así como el análisis estadístico de datos experimentales generados en la investigación de procesos de fermentación. Para ello se hace uso de modelos cinéticos de crecimiento celular basados en ecuaciones diferenciales ordinarias, así como de diferentes técnicas estadísticas. Para lograr esto, se desarrolló una página web escrita en el lenguaje de programación R haciendo uso del paquete de R llamado “Shiny”. El programa permite simular procesos de fermentación tipo lote y lote-alimentado usando diferentes modelos cinéticos. Es capaz de obtener los parámetros cinéticos de forma rápida y precisa a través del uso de algoritmos genéticos de optimización. Además, es posible llevar a cabo los siguientes análisis estadísticos: t-test, ANOVA, Tukey y regresión lineal múltiple o simple. Finalmente, el programa permite encontrar las condiciones de operación como son cantidad de sustrato alimentada al biorreactor y el flujo de alimentación que permiten optimizar el proceso, de nuevo, haciendo uso de algoritmos genéticos. Es importante contar con herramientas que permitan automatizar y estandarizar la obtención de los parámetros cinéticos, así como el análisis estadístico de los datos experimentales. Esto permite al laboratorio tomar decisiones sobre los experimentos a realizar de manera que se ahorren recursos y se obtenga mayor información a partir de los datos generados de la experimentación. Finalmente, contar con programas que permitan realizar simulaciones de los modelos matemáticos de manera sencilla ayuda a que los integrantes del laboratorio puedan comprender cómo y cuándo usar estos modelos con sus datos experimentales. El programa se empleó para el análisis de datos experimentales de fermentaciones llevadas a cabo con diferentes cepas de levaduras, incluyendo consorcios de levaduras (donde se usan mezclas de diferentes cepas de levaduras). Mediante simulaciones realizadas con el programa, se determinó el modelo cinético de crecimiento celular que mostró mejor ajuste para cada uno de los conjuntos de datos experimentales estudiados, y posteriormente se obtuvieron los parámetros cinéticos. Esto, a su vez, permitió entender mejor la naturaleza de las reacciones e interacciones que se presentan en el biorreactor, así como encontrar las condiciones de operación que permiten optimizar el proceso, como son, concentración de sustrato en la alimentación y flujo de entrada al biorreactor.