Production of proteases from industrial wastes through solid-state fermentation at different scales. Potential applications

Abstract

En aquest treball es proposa un procés biotecnològic respectuós del medi ambient per reduir l'impacte negatiu de l'augment dels residus industrials, a causa de l'acceleració del creixement de la població mundial en les últimes dècades. Consisteix en la valorització de residus locals riques en nitrogen, com la fibra de soja, els residus de pel i closca de cafè, per fermentació en estat sòlid (SSF) per obtenir un catalitzador biològic, com ara proteases. Es van dur a terme experiments de SSF en 0,5, 4,5, 10 i 55 L reactors en condicions adiabàtiques al llarg dels 1, 2 i 3 setmanes. Es va proporcionar ventilació contínua per assegurar la prevalença de condicions aeròbiques i l'activitat biològica es va mesurar mitjançant el control de la concentració d'oxigen durant l'assaig. Es van produir proteases alcalines com a conseqüència de la degradació d'aquests materials, abans considerats residus, pels microorganismes desenvolupats. No va ser necessari esterilitzar els materials ni la inoculació de microorganismes purs per al desenvolupament del procés. No obstant això, una inoculació específic amb Bacillus thuringiensis es va avaluar també per millorar la producció de proteasa. D'altra banda, el material orgànic final obtingut en el procés presentar un grau d'estabilitat similar a la de compost i podria ser utilitzat com una esmena del sòl. En conseqüència, dirigint-se a la SSF en aquestes condicions, l'escalat del procés es presenta com una tasca fàcil amb resultats prometedors. La major activitat de les proteases alcalines en extractes crus es va determinar a 3, 7 o 14 dies del procés d'acord amb la naturalesa dels recursos assajats. També es va dur a terme una caracterització bioquímica parcial dels extractes crus. L'aplicació potencial de les proteases extretes s'ha estudiat amb èxit en depilat de pells de vaca, el que representa un avantatge significatiu sobre el procés químic. A més, un estudi preliminar sobre la síntesi cinèticament controlat de oligopèptids s'ha realitzat en una estada de recerca en un laboratori a l'estranger als Estats Units. A més, les emissions gasoses, així com l'energia consumida al llarg del procés es van avaluar per estimar la sostenibilitat econòmica i mediambiental del procés. Aquesta tesi representa el començament d'una nova línia de recerca en el Grup de Recerca de Compostatge al Deparment d'Enginyeria Química de la Universitat Autònoma de Barcelona sobre l'ús de SSF amb materials orgànics utilitzats com una eina adequada per valoritzar-los i generar nous productes com enzims d'alt valor afegit.

En este Trabajo se propone un proceso biotecnológico respetuoso con el medio ambiente para reducir el impacto negativo del aumento de los residuos industriales, debido a la aceleración del crecimiento de la población mundial en las últimas décadas. Consiste en la valorización de residuos locales ricos en nitrógeno, como la fibra de soja, residuos de pelo y cáscara de café, por fermentación en estado sólido (SSF) para obtener catalizadores biológicos, tales como proteasas. Se llevaron a cabo experimentos de SSF en 0,5, 4,5, 10 y 55 L en reactores en condiciones adiabáticas a lo largo 1, 2 y 3 semanas. Se proporcionó aireación continua para asegurar la prevalencia de condiciones aeróbicas y la actividad biológica se midió mediante el control de la concentración de oxígeno durante el ensayo. Como consecuencia de la degradación de estos materiales, antes considerados residuos, por los microrganismos desarrollados se produjeron proteasas alcalinas. No fue necesario esterilizar los materiales como tampoco la inoculación de microorganismos puros para el desarrollo del proceso. Sin embargo, se evaluó también la inoculación con Bacillus thuringiensis para mejorar la producción de proteasas. Por otra parte, el material orgánico final obtenido en el proceso presentó un grado de estabilidad similar a la de compost pudiendo ser utilizado como una enmienda del suelo. En consecuencia, llevando a cabo la SSF en estas condiciones, el escalado del proceso se presenta como una tarea fácil con resultados prometedores. La mayor actividad de las proteasas alcalinas en extractos crudos se determinó a 3, 7 o 14 días del proceso de acuerdo con la naturaleza de los residuos usados. También se llevó a cabo una caracterización bioquímica parcial de los extractos crudos. La aplicación potencial de las proteasas extraídas se ha estudiado con éxito en el depilado de pieles de vaca, lo que representa una ventaja significativa sobre el proceso químico. Además, un estudio preliminar sobre la síntesis controlada cinéticamente de oligopéptidos se ha realizado en una estancia de investigación en un laboratorio en los Estados Unidos (Rensselaer Polytechnic Institute). Por otro lado, se evaluaron las emisiones gaseosas así como la energía consumida a lo largo del proceso para estimar la sostenibilidad económica y medioambiental del proceso. Esta tesis representa el comienzo de una nueva línea de investigación en el Grupo de Investigación de Compostaje en el Deparment de Ingeniería Química de la Universitat Autònoma de Barcelona sobre el uso de SSF con materiales orgánicos como una herramienta adecuada para valorizarlos asi como también se generan nuevos productos como enzimas de alto valor.

An environmental-friendly biotechnological process is proposed in this work to reduce the negative impact of the increasing industrial residues due to the faster growth of the world population in the last decades. It consists on the valorization of nitrogen-rich local residues, such as soy fiber, hair waste and coffee husk, by solid-state fermentation (SSF) to obtain a biological catalyst such as proteases. SSF experiments were undertaken in 0.5, 4.5, 10 and 55 L near-toadiabatic reactors along 1, 2 and 3 weeks. Continuous aeration was provided to ensure the prevalence of aerobic conditions and the biological activity was measured by monitoring the oxygen concentration during the assay. Alkaline proteases were produced as a consequence of the degradation of these materials, formerly considered residues, by the microorganisms developed. It was no necessary to sterilize the materials and no inoculation of pure microorganisms was needed for the development of the process. However, a specific inoculation with Bacillus thuringiensis was also evaluated to improve the protease production. Moreover, the final organic material obtained in the process presented a stability degree similar to that of compost and could be used as a soil amendment. Consequently, addressing the SSF under these conditions, the scaleup of the process is presented as an easy one with promising results. The highest activity of the alkaline proteases in crude extracts was determined at 3, 7 or 14 days of the process according to the nature of the resources assayed. Partial biochemical characterization of the crude extracts was also carried out. Potential application of the extracted proteases has been successfully studied on dehairing cowhides, representing a significant advantage over the chemical process. Also, a preliminary study on kinetically controlled synthesis of oligopeptides has been performed in a research stay at an abroad laboratory in The United States. Furthermore, the gaseous emissions as well as the energy consumed along the process were evaluated to estimate the environmental and economic sustainability of the process. This thesis represents the beginning of a new research line in the Composting Research Group (GICOM) at the Deparment of Chemical Engineering of the Universitat Autònoma de Barcelona on the use of SSF with organic used materials as a suitable tool to valorize them while generating new products as enzymes of high value.