Sophorolipids production by solid-state fermentation: from lab-scale to pilot plant

Abstract

En aquest treball es proposa una tecnologia alternativa per a la producció de soforolípids (SLs), un tipus de biosurfactant, presentats com a alternativa als surfactants produïts químicament degut a la seva major eficiència i millor perfil mediambiental. En aquest treball s'han dut a terme dues estratègies per a millorar la relació de cost-eficiència dels SLs respecte als surfactants produïts químicament, que és el que determina la seva viabilitat econòmica. Ambdues estratègies estan basades en la producció de SLs mitjançant la fermentació en estat sòlid. La primera estratègia va consistir en el ús d’un residu de winterització (RW) amb l'objectiu de disminuir el preu dels substrats i, per tant, el cost final de producció dels SLs. Es va utilitzar melassa de sucre com a co-substrat i palla de blat com a suport inert. El procés va ser optimitzat en base al rati de substrats, la velocitat d’aeració i a la mida de l’inòcul a escala de 100-g, obtenint-se un rendiment de 0.261 g per g de substrat al dia 10. El procés optimitzat, va ser escalat satisfactòriament a un bioreactor de llit fix de 40-L, però posteriorment, es van observar problemes associats amb l'eliminació de calor durant l'escalat a un bioreactor de 100-L amb barreja intermitent. L'estructura química i les propietats interfacials de la barreja natural del SLs produït a partir del RW es va estudiar durant una estança al Rensselaer Polytechnic Institute (NY, USA). La segona estratègia consistí en l'ús de àcid esteàric (C18:0) per a l'obtenció de SLs amb una estructura específica que millori les propietats fisicoquímiques de la barreja natural de SLs i, per tant, la seva eficiència. Es va utilitzar melassa de sucre com a co-substrat i escuma de poliuretà com a suport inert. L'efecte de la densitat de l'escuma de poliuretà i la capacitat de retenció hídrica van ser avaluades i el procés va ser optimitzat en base al rati de substrats e inòcul, obtenint-se un rendiment final de 0.211 g de SLs per g de substrat. Els SLs produïts contenien elevades quantitats de SLs C18:0. Es van observar correlacions significatives entre el rendiment de SLs i l’oxigen consumit (COA). Això suggereix que el COA pot ser utilitzat com a mesura indirecta de la producció de SLs per a la monitorització en línea de processos de FES. Aquesta tesi representa el començament d'una nova línia d'investigació centrada en la producció de SLs per FES en el Grup de Investigació en Compostatge (GICOM) del Departament d’Enginyeria Química, Biològica i Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona.

En este trabajo se propone una tecnología alternativa para producir soforolípidos (SLs), un tipo de biosurfactante, presentados como alternativa a los surfactantes producidos químicamente debido a su mayor eficiencia y mejor perfil medioambiental. En este trabajo se han explorado dos estrategias para mejorar la relación coste-eficiencia de los SLs respecto a los surfactantes producidos químicamente, que es lo que determina su viabilidad económica. Ambas estrategias están basadas en la producción de SLs mediante la fermentación en estado sólido (FES) de Starmerella bombicola. La primera estrategia consistió en el uso de un residuo de winterización (RW) con el fin de disminuir el precio de los sustratos. Se utilizó melaza de azúcar como co-sustrato y paja de trigo como soporte inerte. El proceso fue optimizado en base a la ratio de sustratos, la velocidad de aireación y el tamaño del inóculo a escala de 100-g obteniendo un rendimiento de 0.261 g de SLs por g de sustrato a día 10. El proceso fue escalado satisfactoriamente a un biorreactor de lecho fijo de 40-L, pero se observaron problemas asociados con la eliminación del calor durante el escalado a un biorreactor de 100-L. Los SLs producidos a partir del RW fueron caracterizados durante una estancia en el Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) en NY, EEUU. La segunda estrategia consistió en el uso de ácido esteárico (C18:0) para obtener SLs con una estructura específica que mejore las propiedades fisicoquímicas de la mezcla natural de SLs y, por tanto, su eficiencia. Se utilizó melaza de azúcar como co-sustrato y espuma de poliuretano como soporte inerte. Se evaluó el efecto de la densidad de la espuma de poliuretano y la capacidad de retención hídrica y el proceso fue optimizado en base a la ratio de sustratos e inóculo obteniendo un rendimiento final de 0.211 g de SLs por g de sustrato. Los SLs producidos presentaron contenidos elevados de SLs diacetilados C18:0 acídico y lactónico. Se observaron correlaciones significativas entre el rendimiento de SLs y el oxígeno consumido (COA). Esto sugiere que el COA puede ser usado como medida indirecta de la producción de SLs para la monitorización on-line de procesos de FES. Esta tesis representa el comienzo de una nueva línea de investigación centrada en la producción de SLs por FES en el Grupo de Investigación en Compostaje (GICOM) del Departamento de Ingeniería Química, Biológica y Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona.

This work proposes a potential alternative approach to produce sophorolipids (SLs), a type of biosurfactant, which are presented as an alternative to chemically-produced surfactants due to their higher efficiency and better environmental compatibility. Two strategies have been performed in this work to increase their cost-performance relative to petroleum based surfactants, which determines their commercial viability. Both are based in the production of SLs by the solid-state fermentation (SSF) of solid hydrophobic substrates by the yeast Starmerella bombicola. The first strategy was to use winterization oil cake (WOC), an oil cake that comes from the oil refining industry, to decrease the price of the substrates and, therefore, the final production costs of SLs. Sugar-beet molasses was used as co-substrate and wheat straw was chosen as inert support. The process was optimized in terms of substrates ratio, aeration rate and inoculum size at 0.5-L scale to obtain a yield of 0.261 g of SLs per g of substrate at day 10. The optimized process was successfully scale-up to a 40-L packed-bed bioreactor but problems associated with heat removal were found during the scale-up to a 100-L intermittently-mixed bioreactor. The chemical structure and interfacial properties of the SL natural mixture produced from the WOC were studied during a research stay at the Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) in NY, USA. The second strategy consisted in the use of stearic acid (C18:0) to obtain SLs with a specific structure that improves the physicochemical properties of the SL natural mixture and, therefore, their performance. Sugar-beet molasses was used as co-substrate and polyurethane foam (PUF) functioned as inert support. The effect of PUF density and water holding capacity was assessed and the process was optimized in terms of substrate and inoculum ratio to obtain a final yield of 0.211 g of SLs per g of substrate. SLs produced herein had high contents of diacetylated acidic and lactonic C18:0 SLs. There were significant correlations between the SL yield and the oxygen consumed (COC). This suggests that the respiration parameter COC, can be used as an indirect measurement of the production of SLs for the on-line monitoring of SSF processes. This thesis represents the beginning of a new research line focused on the production of SLs by SSF in the Composting Research Group (GICOM) at the Department of Chemical, Biological and Environmental Engineering of the Universitat Autònoma de Barcelona.