Producción, escalado y recuperación de soforolípidos mediante fermentación en estado sólido con la cepa Starmerella bombicola

Abstract

El present treball representa la continuació a la línia de recerca per a la producció de soforolípids (SLs) per fermentació en estat sòlid (FES) que va ser inciada en nuna tesi aneterior. Els SLs són un tipus de surfactant biològic produït per microorganismes i representa una gran alternativa per a la substitució dels surfactants químics, els quals presenten una gran demanda. Els estudis es van realitzar per FES utilitzant com a substrats residus agroindustrials (residu de winterització de l’oli de gira-sol i melassa de remolatxa sucrera) i el llevat Starmerella bombicola.

La primera etapa de la investigació va consistir en l’avaluació de 9 materials de diferent naturalesa (biològics i inerts) per a ser utilitzats com a suports per a la producció d’SLs per FES a una escala de 0.5 L. Els materials biològics (lignocel·lulòsics) van presentar millors resultats en comparació als materials inerts. La palla de blat (PT) va resultar ser el suport amb la major producció de SLs (0.20 gSL g-1MS), el qual va ser seleccionat per a la segona etapa relacionada a l’avaluació de la producció de SLs a escales més grans. Així mateix, es va comprovar que és possible produir SLs utilitzant altres residus anàlegs el residu de winterització, però, cal tenir en compte el contingut d’impureses dels mateixos i el procés de recuperació del compost per evitar les interferències d’aquestes mateixes en la qualitat final del producte.

L’avaluació de l’escalat de la producció de SLs es va dur a terme en dos reactors de diferent grandària (22 i 100 L), on es va estudiar l’efecte de la temperatura durant el procés i la producció de SLs. Es va observar que mitjançant una temperatura ambient controlada i la implementació d’estratègies de ventilació la temperatura pot ser controlada. Així mateix, es va implementar un procés de diferents cicles d’esterilització que va permetre la reducció del creixement d’altres microorganismes dins el reactor, els quals podrien interferir en el procés metabòlic del llevat per produir SLs. Els resultats van demostrar que el llevat té la capacitat de produir SLs tot i que es modifiquin les seves condicions òptimes de temperatura.

Finalment, com a part d’una estada de recerca que es va realitzar a l’Institut Tecnològic d’Estudis Superiors de Monterrey (ITESM) a Monterrey, Nuevo León, Mèxic, es van avaluar dos diferents tecnologies per a l’extracció i recuperació de SLs com a alternativa per a la substitució al mètode convencional amb acetat d’etil. Es van estudiar els sistemes de dues fases aquoses (ATPs) i l’extracció amb fluids supercrítics (FSC). L’extracció amb ATPs va permetre incrementar el rendiment de SLs de 0.20 a 0.34 gSL g-1MS mentre que amb FSC el rendiment va ser de 0.13 gSL g-1MS. Els resultats demostren que hi ha alternatives amigables amb el medi ambient i amb potencial per extreure SLs produïts a partir del procés de FES.

Aquesta tesi representa un camí per explorar a més detall altres estratègies per a la producció, recuperació i purificació de SLs mitjançant FES i continuar amb la línia d’investigació que es va iniciar en el Grup de Recerca en Compostatge (GICOM) del Departament d’Enginyeria Química, Biològica i Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona.

El presente trabajo representa la continuación a la línea de investigación iniciada en una tesis anterior, para la producción de soforolípidos (SLs) por fermentación en estado sólido (FES). Los SLs son un tipo de surfactante biológico producido por microorganismos y representa una gran alternativa para la sustitución de los surfactantes químicos, los cuales presentan una gran demanda. Los estudios se realizaron por FES utilizando como sustratos residuos agroindustriales (residuo de winterización del aceite de girasol y melaza de remolacha azucarera), y su fermentación por una cepa de la levadura Starmerella bombicola.

La primera etapa de esta investigación consistió en la evaluación de 9 materiales de diferente naturaleza (biológicos e inertes) para ser utilizados como soportes para la producción de SLs por FES a una escala de 0.5 L. Los materiales biológicos (lignocelulósicos) presentaron mejores resultados en comparación a los materiales inertes. La paja de trigo (PT) resultó ser el soporte con la mayor producción de SLs (0.20 gSL g-1MS), el cual fue seleccionado para la segunda etapa relacionada a la evaluación de la producción de SLs a escalas mayores. Así mismo, se comprobó que es posible producir SLs utilizando otros residuos análogos al residuo de winterización, sin embargo, es necesario tomar en cuenta el contenido de impurezas de los mismos y el proceso de recuperación del compuesto para evitar las interferencias de estas mismas en la calidad final del producto.

El escalamiento de la producción de SLs se llevó a cabo en dos reactores de diferente tamaño (22 y 100 L), en donde se estudió el efecto de la temperatura durante el proceso y la producción de SLs. Se observó que mediante una temperatura ambiente controlada y la implementación de estrategias de aireación la temperatura puede ser controlada. Así mismo, se implementó un proceso de diferentes ciclos de esterilización que permitió disminuir el crecimiento de otros microorganismos dentro del reactor, los cuales podrían interferir en el proceso metabólico de la levadura para producir SLs. Los resultados demostraron la levadura tiene la capacidad de producir SLs a pesar de que se modifiquen sus condiciones óptimas de temperatura.

Finalmente, como parte de una estancia de investigación que se realizó en el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) en Monterrey, Nuevo León México se evaluaron dos diferentes tecnologías para la extracción y recuperación de SLs como alternativa para la sustitución al método convencional con acetato de etilo, se estudiaron los sistemas de dos fases acuosas (ATPS) y la extracción con fluidos supercríticos (FSC). La extracción con ATPS permitió incrementar el rendimiento de SLs de 0.20 a 0.34 gSL g-1MS, mientras que con FSC el rendimiento fue de 0.13 gSL g-1MS. Los resultados demuestran que existen alternativas amigables con el medio ambiente y con potencial para extraer SLs producidos a partir del proceso de FES.

Esta tesis representa un camino para explorar a mayor detalle otras estrategias para la producción, recuperación y purificación de SLs mediante FES y continuar con la línea de investigación que se inició en el Grupo de Investigación en Compostaje (GICOM) del Departamento de Ingeniería Química, Biológica y Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona.

The present work represents the continuation of the research line for the production of sophorolipids (SLs) by solid state fermentation (FES), that was started in a previous PhD thesis. SLs are a type of biological surfactant produced by microorganisms and represent a great alternative for the substitution of chemical surfactants, which are in great demand. The studies were carried out by FES using agro-industrial residues (winterization oil cake and sugar beet molasses) as substrates, and its fermentation with the strain of yeast Starmerella bombicola.

The first stage of this investigation consisted in the evaluation of 9 materials of different nature (biological and inert) to be used as supports for the production of SLs by FES at a 0.5 L scale. The biological materials (lignocellulosic) presented better results in comparison to inert materials. Wheat straw (PT) resulted the support with the highest production of SLs (0.20 gSL g-1MS), which was selected for the second stage related to the evaluation of the production of SLs at larger scales. Likewise, it was found that it is possible to produce SLs using other residues analogous to the winterization residue, however, it is necessary to take into account their impurity content and the compound recovery process to avoid their interferences in the final quality of the product.

The scaling of the production of SLs was carried out in two reactors of different sizes (22 and 100 L), where the effect of temperature during the process and the production of SLs was studied. It was observed that through a controlled room temperature and the implementation of aeration strategies, the temperature can be controlled. Likewise, a process of different sterilization cycles was implemented that allowed the growth of other microorganisms within the reactor to be reduced, which could interfere in the metabolic process of the yeast to produce SLs. The results demonstrated that the yeast has the ability to produce SLs despite its optimal temperature conditions being modified.

Finally, as part of a research stay that was carried out at the Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) in Monterrey, Nuevo León México, two different technologies for the extraction and recovery of SLs were evaluated as an alternative to replace the conventional method. with ethyl acetate, two phase aqueous systems (ATPS) and supercritical fluid extraction (FSC) were studied. Extraction with ATPS allowed to increase the performance of SLs from 0.20 to 0.34 gSL g-1MS, while with FSC the yield was 0.13 gSL g-1MS. The results show that there are environmentally friendly alternatives with the potential to extract SLs produced from the FES process.

This thesis represents a way to explore in greater detail other strategies for the production, recovery and purification of SLs by means of FES and to continue with the line of research that began in the Composting Research Group (GICOM) of the Department of Chemical, Biological Engineering and Environmental of the Autonomous University of Barcelona.