Áreas de Investigación

Las actividades que se desarrollan en el DIQB se orientan en la investigación y aplicación en tres grandes tópicos dentro de la Ingeniería Química, Ingeniería en Bioprocesos y la Ingeniería en Biotecnología.

BIOTECNOLOGÍA

Esta línea se enfoca en el estudio de dos grandes áreas. La primera es la de ingeniería metabólica desde la optimización de redes metabólicas, ingeniería genética, biosíntesis de compuesto de alto valor y bioseparaciones. La segunda es sobre biotecnología a nivel celular, con temas que van desde genómica, microbioma, ingeniería de tejidos y biología sintética.  Esta línea cuenta con modernos laboratorios de biotecnología molecular, sala de biorreactores, y otro equipamiento avanzados.

  • Ingeniería metabólica de levaduras para la producción sustentable de aromas y sabores:
    Se busca diseñar, construir y optimizar factorías celulares microbianas para producir y escalar aromas y sabores naturales de interés para la industria de alimentos, bebidas y cosmética. Se emplean técnicas avanzadas para cumplir con el objetivo de bioproducción de compuestos naturales. Para este fin, se utilizan las siguientes herramientas de la ingeniería metabólica:

    • Selección de la factoría celular microbiana más apropiada para la expresión de las vías biosintéticas del compuesto de interés.
    • Diseño de la vía metabólica e identificación de genes involucrados en la vía a partir de la literatura y bases de datos.
    • Construcción de módulos transcripcionales apra la expresión de la vía biosintética en la factoría celular mediante técnicas de ingeniería genética de última generación (Golden Gate, Gibson assembly, CRISPR/Cas9).
    • Evaluación de la productividad, rendimiento y concentración de producto de las cepas recombinantes obtenidas mediante cultivos en matraces y en biorreactores. Optimización de sistema fed-batch de cultivo.
    • Análisis de los resultados obtenidos y selección de nuevos targets mediante el empleo de modelos estequiométricos a escala genómica e ingeniería de proteínas.
    • Nueva iteración del ciclo de Diseño- Construcción-Evaluación- Análisis a partir de los resultados obtenidos del ciclo anterior.
  • Biotecnología de alimentos, genómica y biología de sistemas aplicada al microbioma intestinal.
    Se trabaja en cuatro áreas principales: a) determinación y modelamiento de interacciones microbianas mediadas por prebióticos; b) simulación del impacto de la dieta en el microbioma intestinal mediante biorreactores; c) diseño de biosensores y microorganismos terapéuticos para enfermedades inflamatorias; d) diseño de consorcios microbianos mediante modelos metabólicos con actividades anti-inflamatorias y protectoras.
  • Biología sintética
    Análisis de sistemas genéticos complejos. Se estudian las redes de regulación genética que afectan la fisiología y efectos regulatorios de la célula. Estas interacciones complejas no están bien caracterizadas y necesitan ser estudiadas para un diseño ingenieril dinámico óptimo. Se desarrollan métodos analíticos basados en fluorescencia de multicanal y modelamiento tanto matemático como biofísico para caracterizar el comportamiento de las conexiones en las redes de genes. El objetivo es extraer parámetros genéticos para construir modelos que predigan la dinámica de la red.
  • Ingeniería de tejidos:
    Confección y caracterización de matrices poliméricas (scaffolds) construidos mediante la técnica de electrospinning. Cultivo celular de células troncales de músculo (línea celular C2C12) en scaffolds construidos a partir de distintos polímeros biocompatibles. Electroestimulación de células C2C12 en scaffolds de polímeros conductores biocompatibles para la diferenciación celular en músculo esquelético.
  • Ingeniería metabólica computacional, biología de sistemas y optimización de procesos:
    Se busca desarrollar nuevos métodos y herramientas computacionales que permitan entender y predecir de forma precisa el comportamiento metabólico en factorías celulares. Con la ayuda de estas herramientas, se espera poder rediseñar y optimizar los procesos metabólicos naturales de forma de generar nuevos procesos biotecnológicos más sustentables. Está enfocada al diseño racional del metabolismo celular con el interés de generar nuevos procesos biotecnológicos más sustentables y con potencial de escalamiento. Para alcanzar estos objetivos, se integran técnicas estadísticas y de optimización típicas en ingeniería de procesos y se aplican para generar modelos matemáticos que guíen el diseño y desarrollo de las factorías celulares y los procesos biotecnológicos requeridos.

INGENIERÍA DE ALIMENTOS

Esta línea se enfoca en el estudio de los alimentos desde la perspectiva de la tecnología e ingeniería, con atención a las oportunidades y desarrollos innovadores en diseño racional de alimentos y su microestructura, efectos en la inocuidad microbiológica y química, la utilización de materias primas autóctonas, y el análisis y modelamiento de tecnologías emergentes. Esta línea cuenta con modernos laboratorios de caracterización física, química y microestructural de alimentos, equipamiento piloto en operaciones de estructura y algunas operaciones unitarias avanzadas (extrusión, extracción a altas presiones, etc.).

  • Inocuidad química de alimentos, visión computacional aplicada, microestructura y propiedades físicas de los alimentos: se busca minimizar la formación de compuestos tóxicos generados en alimentos a partir de su procesamiento a altas temperaturas sin afectar negativamente sus atractivos atributos sensoriales originales. Para esto se trabaja en el desarrollo de tecnologías para mitigar precursores en las materias primas originales. Además, se busca implementar y aplicar procesos térmicos que inhiban las reacciones bajo las cuales se generan los compuestos tóxicos.
  • Ingeniería gastronómica: Es un espacio de co-creación entre ingenieros de alimentos y chefs. Pioneros en la aplicación de conceptos de ciencia de los materiales alimentarios para el diseño bottom-up de estructuras sabrosas a partir de materias primas marinas sub-utilizadas como peces pequeños y algas. Se intenta entender la ingeniería que existe en el interior de los alimentos y diseñar el escalamiento a procesos industriales para la alimentación institucional y de intereses particulares.
  • Emulsiones: se busca estudiar las interacciones que determinan la estabilidad termodinámica de emulsiones formuladas, para garantizar su aplicabilidad en la industria de alimentos principalmente. Las emulsiones son empleadas en la industria de los alimentos, ya que permiten la formulación de compuestos con características sensoriales superiores, además de proteger compuestos de alto valor ante factores externos como la temperatura, la luz, entre otros. Una de las propiedades más relevantes de las emulsiones es su estabilidad termodinámica, la cual garantiza la funcionalidad de la misma.
  • Microbiología de alimentos fermentado:
    Estudio y caracterización del comportamiento microbiano durante el proceso de fermentación de materias primas alimenticias. El área de investigación tiene énfasis en el aislamiento e identificación de microflora nativa que puede emplearse como cultivo iniciador en diferentes procesos. Es así que trabajamos con procesos de fermentación aeróbica y anaeróbica para diferentes matrices (vino, cerveza, cereales, y frutas). Es de nuestro interés caracterizar la cinética de crecimiento microbiano y la conversión de sustratos en productos de interés mediante el uso de bacterias y levaduras GRAS no tradicionales.
  • Extracción de compuestos de alto valor agregado:
    Medición del equilibrio de partición de solutos entre matriz sólida y fluidos supercríticos (isotermas de sorción), predicción de solubilidades, pretratamiento de sustratos sólidos, optimización de condiciones de operación en unidad de screening, modelamiento de la extracción supercrítica para determinar parámetros relevantes de transferencia de masa y simulación de plantas industriales para la extracción con dióxido de carbono supercrítico.
  • Diseño de Alimentos
    Diseño de estructuras alimentarias sólidas a partir de formulaciones y/o procesamientos específicos, con el fin de obtener características de calidad deseadas. El estudio abarca la integración de diversas técnicas de microscopía e incluye como parte fundamental la utilización de avanzados programas de análisis de imagen. El análisis incluye la evaluación de la digestibilidad de compuestos de interés, en colaboración con áreas de la salud y de las ciencias biológicas, tanto en sistemas modelo como en matrices alimentarias.

DINÁMICA Y MODELACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS Y AMBIENTALES

Esta línea se enfoca en el estudio procesos químicos industriales. El enfoque va desde la biorrefinería para obtención de productos desde derivados de la biomasa, catálisis heterogénea, equilibrios termodinámicos, modelación y caracterización de nuevos solventes para procesos de separación. Cinética de reactores para biorremediación, análisis de biodegradabilidad y modelación de fenómenos de transporte para comprender conceptos de contaminación atmosférica, técnicas avanzadas de extracción para la obtención de nutraceúticos. Modelación computacional de control de procesos.

  • Catálisis heterogénea y valorización de derivados de la biomasa: se busca estudiar el efecto de la naturaleza del soporte, tipo de material, contenido metálico y condiciones de operación sobre la actividad y selectividad en los procesos de hidrotratamiento (HT) y fotocatálisis. Junto con esto, se centra en la caracterización de catalizadores para correlacionar su estructura con su actividad catalítica a través de diversas técnicas, como lo son TEM, SEM, XRD, TPD, FTIP, espectroscopia Raman, entre otras. Además esta línea es parte del Núcleo Milenio en Procesos Catalíticos hacia la Química Sustentable, el cual busca producir combustibles líquidos y productos químicos de alto valor agregado a partir de derivados de la biomasa agrícola y forestal, entregando a la sociedad una alternativa sustentable para el continuo desarrollo industrial.
  • Modelación y estimación de fenómenos de contaminación y descontaminación ambiental:
    Se busca simular la emisión, transporte, dispersión, transformación química y remoción de los distintos contaminantes presentes en la atmósfera. Junto con esto, se busca estimar cuantitativamente el impacto de las diferentes fuentes emisoras en zonas urbanas e industriales, a través de modelos de naturaleza estadística o simplificaciones de modelos de calidad del aire. Finalmente, se trabaja en la gestión de residuos sólidos y lodos, área de desarrollo científico y tecnológico permanente, motivada por la necesidad cada vez mayor de sistemas adecuados de tratamiento y disposición de residuos industriales y urbanos.
  • Optimización y modelación de procesos sustentables de obtención de compuestos bioactivos con potencial uso en la industria de alimentos y nutraceútica:
    Procesos de obtención y aplicación de productos de origen natural como extractos polifenólicos, aceites esenciales y aromas. Extracción de compuestos a alta y baja presión, medición y modelación de la solubilidad, procesos de separación vía columnas de adsorción, cromatografía y filtración con membranas. Aplicaciones en aditivos funcionales para alimentos, películas comestibles, destilados y nutracéuticos. Modelamiento matemático de modelos metabólicos, oxigenación en fermentadores, solubilidad y destilación. Control automático, optimización dinámica y multiobjetivo.
  • Termodinámica aplicada y procesos de separación:
    Equilibrio de fases, modelamiento y simulación de procesos de separación: Se busca predecir solventes de extracción para procesos de separación de moléculas de alto valor que deben ser extraídas y purificadas desde biomasa o procesos biotecnológicos. Para esto, se requiere un estudio experimental acoplado a la validación de modelos termodinámicos y la simulación de procesos usando la plataforma AspenONE. Entre los diferentes problemas de equilibrio de fases de interés, que pueden validar termodinámicamente los solventes de extracción, caben destacar el equilibrio líquido-vapor a bajas y altas presiones, equilibrio líquido-líquido, equilibrio sólido-líquido, equilibrio sólido-vapor, equilibrio de reacciones, etc. Entre los modelos para representar los sistemas experimentales en el simulador de procesos están los de coeficiente de actividad correlativos como NRTL, UNIQUAC y los predictivos UNIFAC, COSMO-RS) y COSMO-SAC. En cuanto a las ecuaciones de estado utilizadas, se pueden mencionar las cúbicas como Peng-Robinson, o similares, con diferentes reglas de mezclado o ecuaciones de estado complejas tipo Helmholtz de la familia SAFT. Los modelos tipo COSMO y SAFT son los preferidos para la selección preliminar de solventes en el simulador por sus características predictivas y para modelar sistemas complejos.
  • Energías renovables y residuos:
    Cultivos de microorganismos fotosintetizadores (microalgas). Operaciones de cultivos de microorganismos fotosintetizadores no patógenos autotróficos o mixotróficos; preparación de medios de cultivo; diseño y prueba de fotobioreactores para su cultivo, procesamiento de microalgas (operaciones de extracción por solventes, operaciones de desaguado, liofilización, secado spray, otros tipos de secado), análisis de subproductos por espectrometría, FTIR, turbidimetría, cromatografía, y ensayos cualitativos. preparación de nanomateriales, la fabricación de electrofotocatalizadores basados en estos nanomateriales, el diseño y prueba de fotorreactores basados en los electrofotocatalizadores desarrollados y la detección de productos de valor a partir de moléculas contaminantes, gases de efecto invernadero o compuestos de escaso valor; y sus productos de la electrofotocatálisis mediante técnicas colorimétricas, espectrométricas y/o cromatográficas.