Optimización estequiométrica teórica y modelado cinético de la producción de n-butanol por fermentación de la glucosa utilizando clostridium acetobutylicum atcc 824

Abstract

En el presente trabajo de investigación se utilizó la ruta metabólica de Clostridium acetobutylicum ATCC 824 para la optimización teórica de la producción de n-butanol y se emplearon datos a escala de laboratorio de la fermentación de la glucosa utilizando C. acetobutylicum ATCC 824; para calibrar un modelo cinético estructurado de la producción de n-butanol. Se plantearon y solucionaron tres modelos estequiométricos teóricos denominados: modelo simplificado, generalizado y subespaciado. Los modelos se construyeron con base en el balance de masa de carbono, el balance de electrones, la función objetivo, restricciones bioquímicas, termodinámicas y/o cinéticas de la ruta metabólica y la ecuación de biosíntesis de biomasa de C. acetobutylicum. GAMS y NEOS fueron los software utilizados para la optimización de los modelos estequiométricos. Los modelos simplificado y generalizado convergieron a la solución trivial de n-butanol y no proporcionaron información sobre la dinámica metabólica de los productos extracelulares. El modelo subespaciado inicialmente optimizó la acidogénesis, limitando la solución a cuatro estados termodinámicos (subespacios). La integración de los subespacios a la solventogénesis determinó que no todos fueron factibles para alcanzar un máximo teórico de n-butanol. Los modelos subespaciados son pioneros y únicos en su especie para la optimización teórica de n-butanol sin ignorar la complejidad del metabolismo de C. acetobutylicum. Además poseen la capacidad predecir y explicar observables de las cepas productoras de n-butanol. Finalmente, se realizaron pruebas en modo de operación Batch. En donde se fermentó la glucosa utilizando C. acetobutylicum ATCC 824 bajo dos escenarios: uno sin control de pH y otro a pH 5.0 constante. En el primero se alcanzó un mayor rendimiento de n-butanol y en el segundo una mayor concentración y productividad volumétrica de n-butanol. Estos datos experimentales fueron ajustados a un modelo cinético estructurado, obteniéndose buenos niveles de precisión en la simulación de la concentración de n-butanol.