Lignocellulolytic enzymes production via Solid-State Fermentation of agroindustrial residues: process optimization and application

Abstract

Aquesta tesis esta enfocada en la valorització de residus agroindustrials mitjançant la utilització de la fermentació en estat sòlid per a la producció enzimàtica. Aquest estudi es troba emmarcat dins el projecte Valorització de residus agroindustrials per a la producció de bioplàstics (VALORA, CTM2016-81038-R). Per a la producció enzimàtica, es van estudiar tres residus diferents provinents de la indústria alimentària: el bagàs de cervesa, la brisa de raïm i la pinyolada. Tots aquest són residus lignocel·lulòsics es produeixen en grans quantitats en indústries properes al centre d’investigació i la seva gestió pot comportar problemes mediambientals. Tot i això, aquests residus tenen unes propietats que els fan ser interessants com a font de enzims lignocel·lulòtics, i per tant, poden ser valoritzats obtenint un producte d’alt valor afegit. Per tal d’aconseguir aquest objectiu s’han avaluat 3 soques diferents de fongs com a productors enzimàtics: Aspergillus niger, Thermoascus aurantiacus and Trichoderma reesei. En el primer capítol de resultats (Capítol 4) s’exposa la selecció del substrat per a la producció enzimàtica dins els tres residus estudiats. Un cop seleccionat el substrat, es va realitzar un estudi per avaluar el potencial productor d’enzims lignocel·lulòtics de les tres soques de fongs esmentades mitjançant la fermentació en estat sòlid a escala laboratori. Per tal d’avaluar el potencial de cada soca es va analitzar les activitats enzimàtiques obtingudes, però també l’aplicabilitat dels extractes enzimàtics obtingut per obtenir sucres fermentables de residus lignocel·lulòsics. Finalment, es realitza una prova de concepte, en consonància amb l’objectiu del projecte VALORA per tal d’obtenir bioplàstics a partir dels sucres fermentables obtinguts. Un cop obtinguts i avaluats els resultats de les diferents soques de fongs, es va decidir seguir treballant amb dues d’elles (A. niger i T. aurantiacus) i optimitzar el procés de producció enzimàtica mitjançant la fermentació en estat sòlid (Capítol 5). La SSF d'A. niger realitzada en les condicions òptimes va trobar un valor màxim d'activitat xilanasa de 309,0 ± 24,5 U · g-1DM a les 42 h i un valor màxim d'activitat cel·lulasa de 7,9 ± 1,0 FPU · g-1DM a les 24 h. La SSF de T. aurantiacus realitzada en les condicions òptimes va trobar un valor màxim d'activitat xilanasa de 156,1 ± 15,8 U · g-1DM a les 48 h i un valor màxim d'activitat cel·lulasa de 3,5 ± 0,5 FPU · g-1DM a les 48 h. Un cop optimitzat el procés, es va fer un canvi d'escala per tal d'estudiar el procés a escala pilot i avaluar diferents configuracions del reactor (Capítol 6). Els millors resultats es van obtenir utilitzant A. niger amb els reactors de PVC amb una activitat xilanasa màxima (245,5 ± 21,6 U · g-1DM, 5,1 ± 0,5 U · g-1DM · h-1 de productivitat) a 48 h i una cel·lulasa màxima activitat (4,5 ± 0,2 FPU · g-1DM, 0,06 ± 0,00 FPU · g-1DM · h-1 de productivitat) a 80 h. Finalment, els extractes més prometedors obtinguts durant l'estudi van ser sotmesos a diferents proves per avaluar-ne l'eficiència en la hidròlisi de diversos materials. En aquest pas, també es va incloure la fracció sòlida dels materials explotats amb vapor com un intent d'avaluar els extractes enzimàtics en una gamma més àmplia de materials (Capítol 7) i aquests es van hidrolitzar tant en medi líquid com sòlid. En general, els resultats presentats en aquesta tesi constitueixen una primera aproximació cap a l'ús de soques de fongs purs i SSF com a tecnologia vàlida per a la producció d'enzims d'interès industrial utilitzant matèries primeres de baix cost.

This thesis is focused on the valorisation of agro-industrial waste through the use of solid-state fermentation (SSF) for enzyme production. This study was developed as part of the project Valorización de residuos agroindustriales para la producción de Bioplásticos (VALORA, CTM2016-81038-R) and it is the first study on SSF developed within the BETA Tech Center. The study has focused on the use of three different wastes from the food industry (brewer’s spent grain, grape pomace and olive-mill solid waste) as potential substrates for the production of lignocellulolytic enzymes. These lignocellulosic-derived wastes are produced in large quantities in important local industries within Catalonia region, and their management still generates some environmental problems. However, these residues have properties that make them interesting as a source of lignocellulolytic enzymes, and therefore they can be potentially valorised by obtaining a high value-added product. In order to achieve this goal, three fungal strains have been evaluated as enzyme producers: Aspergillus niger, Thermoascus aurantiacus and Trichoderma reesei. Chapter 4 sets out the selection of the substrate for enzyme production within the three selected residues. After the substrate was selected, a preliminary study was performed to determine the potential for producing lignocellulolytic enzymes from the three abovementioned fungal strains. In order to evaluate such a potential, the enzymatic activities served as the main performance parameter. Nevertheless, the efficiency of the obtained extracts to release sugars was also tested. Finally, a proof of concept was carried out, in line with the objective of the VALORA project to produce biodegradable bioplastics (polyhydroxyalkanoates) starting from the fermentable sugars produced with the enzymes. In a second stage, it was decided to continue working with two of the evaluated strains (A. niger and T. aurantiacus) to optimise the enzymatic production process at lab scale (Chapter 5). The A. niger SSF performed at the optimal conditions found a maximum xylanase activity value of 309.0 ± 24.5 U·g-1DM at 42 h and a maximum cellulase activity value of 7.9 ± 1.0 FPU·g-1DM at 24 h. The T. aurantiacus SSF performed at the optimal conditions found a maximum xylanase activity value of 156.1 ± 15.8 U·g-1DM at 48 h and a maximum cellulase activity value of 3.5 ± 0.5 FPU·g-1DM at 48 h. Once the process was optimised, a change of scale was made in order to study the process at bench scale and to evaluate different reactor configurations (Chapter 6). The best results were obtained using A. niger with the PVC reactors with a maximum xylanase activity (245.5 ± 21.6 U·g-1DM, 5.1 ± 0.5 U·g-1DM·h-1 of productivity) at 48 h and a maximum cellulase activity (4.5 ± 0.2 FPU·g-1DM, 0.06 ± 0.00 FPU·g-1DM·h-1 of productivity) at 80 h. Finally, the most promising extracts obtained during the study were subjected to different tests to assess their efficiency in the hydrolysis of diverse materials. In that step, it was also included the solid fraction of steam exploded materials as attempt to evaluate the enzymatic extracts in a wider range of materials (Chapter 7) and these were hydrolysed both in liquid and solid media. In general, the results presented in this thesis constitute a first approach toward the use of SSF and pure fungal strains as a valid technology for the production of enzymes of industrial interest using low-cost raw materials.