Producción de precursores de bioplásticos a partir de la coseta de remolacha agotada

Resumen

Los plásticos causan muchos problemas medioambientales, ya que solamente se recicla una fracción de estos y terminan acumulándose en el medioambiente. Esta tesis doctoral pretende encontrar una alternativa a los plásticos convencionales produciendo bioplásticos a partir de fuentes renovables. De esta forma, la pulpa agotada de remolacha azucarera (ESBP), un subproducto de la industria del azúcar, se ha seleccionado para producir ácido láctico (LA) como precursor del ácido poliláctico (PLA). Además, la ESBP también se ha evaluado como materia prima para producir polihidroxialcanoatos (PHA), que son precursores del biopolímero de PHA. Ambos, PLA y PHA, son plásticos biobasados y biodegradables con propiedades similares a los plásticos derivados de combustibles fósiles. Mediante la producción de estos bioplásticos a partir de fuentes renovables, como la ESBP, usando procesos biotecnológicos, se pueden reducir los problemas medioambientales asociados con la producción y el uso de los plásticos. El proceso realizado para producir ambos precursores a partir de la ESBP consiste en dos etapas principales secuenciales: sacarificación o hidrólisis enzimática y fermentación. Con el fin de evaluar la capacidad de la ESBP para producir un medio rico en azúcares fermentables, se llevaron a cabo experimentos preliminares empleando la hidrólisis enzimática. Los resultados obtenidos mostraron que la ESBP se puede hidrolizar fácilmente combinando varias enzimas hidrolíticas: celulasas, xilanasas, pectinasas y ?-glucosidasa. Aunque se obtuvieron buenos resultados en los experimentos preliminares, el alto coste de las enzimas empleadas hace que este proceso sea difícilmente viable a escala industrial. Así, con el objetivo de desarrollar un proceso económicamente viable, se estudió la producción de enzimas hidrolíticas mediante la fermentación en estado sólido (SSF) de la ESBP. La producción de enzimas a partir de la ESBP se comparó con la cascara de naranja (OPW), que es otro subproducto de la industria agroalimentaria. A pesar de que los extractos enzimáticos obtenidos a partir de ambos sólidos mostraron altas actividades xilanasa y pectinasa, éstas fueron mayores en el producido a partir de la ESBP. También se comprobó la eficacia de ambos extractos enzimáticos en la sacarificación de la ESBP, obteniéndose mayores concentraciones de azúcares reductores con el extracto enzimático obtenido a partir de la ESBP suplementado con celulasa comercial. Para lograr el aprovechamiento completo de la ESBP, con casi cero residuos, el sólido fermentado obtenido tras la extracción de las enzimas fue hidrolizado con el extracto enzimático obtenido de la SSF de la ESBP, obteniéndose también una elevada cantidad de azúcares reductores. El inconveniente de este proceso es que la producción de extractos enzimáticos requiere de las etapas de extracción y purificación, que incrementan el coste total del proceso. De esta forma, con el objetivo de eliminar estas etapas, se estudió la eficiencia de la hidrólisis enzimática mediante la adición de la pulpa fermentada como fuente de enzimas. Para la optimización del proceso se evaluó la temperatura, la relación de sólido fermentado y fresco (FFR), el efecto de la suplementación con celulasa y el modo de operación. Así, el máximo rendimiento de hidrólisis se alcanzó a 50 ºC, con una FFR de 15:55, añadiendo 2,17 unidades de celulasa por gramo de ESBP y operando en fed-batch mediante la adición de cuatro fracciones de sólido fresco cada 2,5 h y el sólido fermentado al principio de la hidrólisis. La producción de ácido láctico mediante fermentación se estudió con Lactobacillus plantarum y Lactobacillus casei. A pesar de que se obtuvo una concentración baja de ácido láctico con ambas cepas, con L. plantarum se alcanzó un mayor rendimiento, por lo que los siguientes estudios se realizaron con esta cepa. Para incrementar aún más el rendimiento, el hidrolizado de ESBP se suplementó con varias fuentes de nitrógeno, obteniéndose los mejores resultados cuando se añadió 5 g/L de extracto de levadura. Además, el pH se reguló durante la fermentación con NaOH 5 M o diferentes concentraciones de CaCO3, alcanzando la concentración máxima de ácido láctico con 18 g/L de CaCO3. Dependiendo del método usado, L. plantarum produjo diferentes proporciones de ácido láctico y acético. Además, se desarrolló un modelo cinético que predice la evolución de los substratos y productos, dependiendo de la variación de pH en el medio de fermentación, según la cantidad de CaCO3 añadida. Se estudió también el efecto del pretratamiento (biológico, peróxido de hidrogeno alcalino y termoquímico ácido) en la producción de ácido láctico. Todos los pretratamientos mostraron un efecto significativo en la composición en fibra de la ESBP, disminuyendo el contenido en pectina y hemicelulosa, y, por tanto, aumentando el contenido en celulosa. La mayor concentración de ácido láctico se consiguió con los hidrolizados de la ESBP pretratada termoquímicamente con ácido sulfúrico al 1 % p/v. En este caso, la hidrólisis enzimática se llevó a cabo con las enzimas comerciales, Celluclast®, pectinasa y xilanasa, durante 48 h. La producción de polihidroxialcanoatos mediante fermentación con Cupriavidus necator se evaluó en el hidrolizado de la ESBP, rico en azúcares, y en el medio obtenido después de la fermentación láctica, rico en ácidos orgánicos. Estos experimentos se llevaron a cabo como estudios preliminares, para ver la capacidad de C. necator para crecer en ambos medios y producir PHA. Esta cepa acumuló un bajo contenido de PHA en ambos medios; sin embargo, fue un poco mayor en el hidrolizado. Es necesario seguir investigando para optimizar la relación C/N y encontrar las mejores condiciones para alcanzar una mayor acumulación de PHA.