Del residuo al producto: recuperación de enzimas hidrolíticas producidas mediante fermentación en estado sólido y estrategias de residuo cero

Abstract

Las investigaciones previas, realizadas dentro del grupo de compostaje, dieron como resultado varios procesos medioambientalmente favorables para la obtención de celulasas y proteasas, mediante fermentación en estado sólido (FES) de varios residuos agro-industriales, reduciendo de este modo los residuos generados y obteniendo enzimas a bajo coste. En este trabajo, partiendo de estos resultados previos, se determinaron las condiciones más favorables de extracción de la matriz sólida de dichas enzimas, teniendo como objetivo la máxima recuperación de actividad con el menor coste posible. Para ello, se llevó a cabo la fermentación de los residuos, de acuerdo a los procedimientos optimizados en previas investigaciones, utilizando mayoritariamente reactores de 10 L de volumen de trabajo. El proceso se interrumpió en el punto de máxima actividad enzimática, llevando a cabo las consiguientes extracciones del producto bajo condiciones experimentales diferentes. Los parámetros estudiados durante las extracciones fueron el ratio sólido-líquido, el tipo de extractante y el modo de extracción. Las extracciones se realizaron principalmente a escala laboratorio, utilizando entre 200 y 500 g de material fermentado. Los resultados mostraron en todos los casos que el agua destilada resultaba ser un extractante apropiado en comparación con el tampón propuesto para cada enzima, y que el ratio de extracción óptimo oscilaba entre 1:2 y 1:3 (g:mL). Posteriormente a la extracción, se aplicaros dos estrategias cero residuos para la gestión del sólido húmedo restante, que fueron la estabilización aerobia, para obtener un sólido semejante al compost y que pudiese servir de enmienda del suelo, y la digestión anaerobia, para la producción de biogás, la cual se prolongó aproximadamente hasta los 21 días. Los resultados mostraron que la duración del proceso de estabilización dependía de la duración de la FES y de los valores respirométricos iniciales, y que la digestión anaerobia era la opción más recomendable, debido a la alta producción de biogás, para los residuos no fermentados tras la extracción. La co-digestión con otros residuos puede ser una opción para la fibra de soja, mientras que la estabilización parece ser la opción más recomendable en el caso de la cascarilla de café y la mezcla de pelo y lodo. También se evaluó la recuperación de actividad del extracto tras la liofilización y, en algunos casos, su conservación en el tiempo a una temperatura de 4°C, observándose una alta recuperación de actividad inicial, superior al 80% en todos los casos, excepto para la fibra de arroz. En el caso de la cascarilla de café el extracto liofilizado conservó prácticamente el 100% de su actividad durante los primeros 150 días, mientras que las proteasas obtenidas de la mezcla de pelo y lodo no sufrieron pérdidas significativas a lo largo de un año.

Previous investigation, undertaken in the composting group, gave as a result several environmental-friendly processes for the production of cellulase and protease, though solid state fermentation of agro-industrial residues, decreasing this way the generation of waste and achieving as a product a low cost enzyme. The aim of the present work is, based on these previous results, the determination of the most favourable extraction conditions of the enzymes from the fermented solid, achieving the maximum recovery with the lowest possible cost. To perform the extractions, the waste was fermented, according to previous works, and the process was interrupted at the point of maximum enzyme activity. The fermentations were carried out mainly in 10 L working volume reactors, working at adiabatic regime. The fermented material was used to perform extractions under different conditions, the parameters assayed were solid-liquid ratio, extractant type and extraction mode. The extractions were performed mostly at laboratory scale, using between 200 and 500 g at each extraction. Results showed in all cases that distilled water was the best extraction agent or showed no significant difference with the use of the proposed buffer solution for each enzyme. As for the extraction ratio, the optimum one vary between 1:2 and 1:3 (g:mL) in all cases. After the extraction, two zero waste strategies were evaluated on the moist solid, which were aerobic stabilization, in order to obtain a compost-like product to be used as organic amendment, and anaerobic digestion, which was carried out during approximately 21 days. The results showed a dependency of the stabilization process with the initial respirometric values and the length of the solid state fermentation process. Anaerobic digestion is recommended, due to the high biogas production, for the fresh residues after extraction, and co-digestion with other residues could be an option for soy fibre, while stabilization would be the best option for coffee husk and the mixture of hair and sludge. Activity recovery after lyophilisation was also assessed, and in some cases, the activity conservation of the lyophilised extract was measured after a certain time of storage at 4 °C, showing a high initial activity recovery, above 80% in all cases except for rice fibre. Coffee husk lyophilized extract, maintained almost 100% of its activity during 150 days, while protease from the mixture of hair and sludge showed no significant losses near during year.