BFDE_EA_U1_JEMP

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Universidad Abierta y a Distancia 
de México 
División de Ciencias de la Salud, 
Biológicas y Ambientales 
Ingeniería en Biotecnología 
 
 
Fenómenos de transporte 
 
 
Unidad 1 
Evidencia de aprendizaje 
 
 
Jessica Verónica Mendoza Prado 
ES202104539 
 Grupo BI-BIB2-2202-B1-001 
 
14 de octubre de 2022 
 
El estrés hidrodinámico en cultivos celulares 
Ensayo 
Introducción 
Las células, dentro de un organismo, actúan de forma coordinada para mantener un 
estado de equilibrio conocido como homeostasis, donde las necesidades de todas son 
satisfechas, permitiendo la supervivencia y funcionamiento del conjunto u organismo. 
Responden así mismo de forma conjunta a condiciones de estrés, definido como la 
variabilidad en el medio que condiciona eventos adversos para las células, como la 
escasez de alimento o la falta de oxígeno, y que genera una respuesta de supervivencia 
a costa de la supresión de procesos normales. El estrés ocasiona también la 
acumulación de metabolitos tóxicos que pueden poner en peligro la vida celular, o 
previene el correcto desarrollo de la célula atrofiando su crecimiento. Debe entonces 
comprenderse al estrés no como una entidad única o específica, sino como un espectro 
de condiciones que de forma general afectan al bienestar celular. 
Dentro de un medio de cultivo, las células vegetales o animales no se encuentran dentro 
del sistema homeostático mencionado previamente, sino que es el profesional el 
encargado de prever y proveer las condiciones necesarias para el desarrollo celular. La 
capacidad de adaptación es entonces limitada, pudiendo darse con facilidad la muerte 
del cultivo o la no obtención de los resultados deseados y esperados. Por ello, durante 
el desarrollo de cualquier forma de cultivo, desde agares hasta biorreactores, deben 
considerarse en el diseño las necesidades celulares particulares de la especie, 
previniendo las carencias o excesos que lleven al desequilibrio del cultivo. 
Desarrollo 
Efectos del estrés hidrodinámico en 
los cultivos celulares 
El daño subletal a nivel celular es 
aquel que no acaba con las células 
dentro del cultivo pero que si influye Ilustración 1Efecto del flujo del biorreactor en el desarrollo de células 
mesenquimales 
de forma drástica en el comportamiento y metabolismo de la célula. Es decir, condiciona 
una serie de cambios adaptativos de emergencia a forma de respuesta, pero también 
cambios en forma de daño. Por ejemplo, alteración de las proteínas de membrana, de 
canales, del ADN y la acumulación de metabolitos. Los parámetros de cuantificación del 
daño celular considerados son la velocidad de respiración y crecimiento y la producción 
de diversos metabolitos. 
Fisiología celular 
Las células vegetales, hongos y bacterias tienen como primera barrera de protección una 
estructura conocida como la pared celular, que actúa como amortiguador entre el medio 
y el interior celular. Compuesta de polisacáridos, es una estructura fuerte y de protección 
y resistencia. Siguiendo a la pared celular, se encuentra la membrana celular, presente 
también en células animales. Se trata de una bicapa formada por fosfolípidos, moléculas 
bipolares que repelen por un lado el paso del agua, pero por otro se ven atraídos a la 
misma. Embebido en esta bicapa, se encuentra un arsenal de moléculas proteicas y 
glucosadas que cumplen funciones infinitamente diversas: de anclaje, de canales para 
el paso de moléculas y iones, de señalización, de receptores, etc. 
El citoplasma, que es el medio interno celular 
en el que se encuentran el resto de las 
estructuras internas, se compone de una 
mezcla de proteínas coloides que incluyen 
enzimas, carbohidratos, proteínas de bajo peso 
molecular, ribosomas y ARN, conocidas como 
citosol. Contiene también el resto de los 
organelos, que varia dependiendo de la 
especie, incluyendo núcleo, nucleolo, aparato 
de Golgi, mitocondrias, retículo endoplásmico, 
vacuolas, citoesqueleto, microtúbulos etc. 
El material genético, que es el principal responsable de la respuesta a los cambios 
estresantes, se encuentra generalmente en el núcleo en el caso de eucariotas y en el 
Ilustración 2Anatomía celular genérica 
citoplasma en el caso de procariotas. Cuando existe una respuesta adaptativa, son 
diversos los genes que se ven activados y por lo tanto transcritos y traducidos para la 
generación de la proteína necesaria. Por lo tanto, el daño a este material puede ser 
catastrófico y letal. 
Parámetros usados para cuantificar el daño celular 
Flujos hídricos 
Remolinos de tamaños entre 10 a 50 micrómetros dentro del flujo del medio, se han 
denominado como eddies. Estos flujos han sido denominados como muy dañinos, sobre 
todo en tamaños menores a los de las células del cultivo. Pueden ser calculados con la 
formula: 
𝜂 = (
𝜐
𝜀
)
3/4
 
La presencia de flujos turbulentos 
dentro del reactor es un problema 
real, porque puede condicionar la 
existencia de estos remolinos 
microscópicos. De hecho, la 
existencia de un flujo laminar en el 
reactor es casi imposible, existiendo solamente en los espacios muertos y cerca de las 
paredes del reactor. Incluso en las zonas de flujo turbulento, el estrés hidrodinámico no 
es constante, pues los flujos varían a lo largo de todo el reactor, según las coordenadas 
y a través del tiempo. 
El crecimiento y la velocidad de disipación de energía 
Se propone también que es posible realizar una correlación de la actividad metabólica 
celular con la velocidad de disipación de energía, considerando parámetros 
operacionales como son el tiempo al que es sometido la partícula al esfuerzo de corte, 
la densidad del medio, el volumen de la célula sometida al daño y la velocidad de 
disipación de energía, obteniendo la siguiente ecuación. 
Ilustración 3 Formación de Eddy dentro de biorreactor 
𝐵 = 𝑓(𝐸) = 𝑓(𝜖, 𝜌, 𝜑, 𝜏) 
Reología de caldos no Newtonianos y estrés hidrodinámico 
Los fluidos no newtonianos son utilizados en los quehaceres de la biotecnología en el 
desarrollo de antibióticos, por ejemplo, por lo que deben ser considerados dentro del 
comportamiento del biorreactor. A diferencia de los fluidos newtonianos clásicos, los no 
newtonianos no tienen una relación lineal entre el estrés de corte y el gradiente de 
deformación, sino que debe ser usada la ley de la potencia, permitiendo describir el 
comportamiento de dichos fluidos. La ecuación es la siguiente: 
𝜏 = 𝐾 (
𝐷𝑉
𝐷𝑌
) ¨ = 𝐾𝛾 donde t es el estrés de corte, y el gradiente de deformación, k la 
viscosidad. Pero debe ser considerado que la mayoría de los fluidos no newtonianos 
presentan viscosidades muy elevadas a comparación de la del agua, por lo que la 
ecuación debe ser Re arreglada. 
𝜏 = 𝐾 (
𝐷𝑉
𝐷𝑌
)
𝑛−1
(
𝑑𝑣
𝑑𝑦
) = 𝜌𝜑𝛾 
Conclusión 
Debe el biotecnólogo considerar las diversas variables dentro de un medio de cultivo que 
influyen en la calidad del producto final y de la viabilidad del biorreactor. En la unidad de 
diseño de biorreactores, se abordó que son múltiples las pruebas que debe superar un 
biorreactor para poder ser escalado a tamaño industrial. En la escala de laboratorio, 
deben ser considerados todos los factores que sometan a las células a estrés y no 
permitan que den el rendimiento adecuado. 
Debe entonces el ingeniero en biotecnología ser capaz de considerar estas diversas 
variables. Hasta el momento, desconocía que los flujos dentro del reactor afectan el 
desarrollo y aumentan la mortalidad celular. Pude ahora integrar conocimientos 
adquiridos en física, biología, operaciones unitarias y ahora fenómenos de transporte. 
Referencias 
Trujillo, M. (2003) El estrés hidrodinámico en cultivos celulares. BioTecnología V8 (1)