Integrated Experimental and Modelling Strategy for Solid-State Fermentation Applied to Biosurfactant Production

Abstract

La fermentació en estat sòlid (FES) s’està consolidant com una tecnologia clau per a la valorització de residus orgànics agroindustrials, contribuint al desenvolupament d’una bioeconomia circular. Malgrat els seus avantatges, la seva aplicació a escala industrial encara presenta dificultats, especialment pel que fa a la transferència de calor i matèria, aspectes que requereixen una millor comprensió dels fenòmens implicats.

Aquesta tesi s’emmarca dins de dos projectes de recerca que busquen impulsar la FES com a eina per a la producció sostenible de bioproductes. El projecte Surfing Waste (2021-2024) explora l’ús de residus orgànics per a la producció de biosurfactants glicolipídics, com els soforolípids (SLs), mitjançant la FES. El projecte se centra en la millora del procés a través de l’ús de diferents residus, condicions operatives, tècniques sostenibles d’extracció i nanopartícules, amb l’objectiu d’assolir un enfocament de residu zero.

Per altra banda, el projecte Solstice (2024-2028) té per objectiu posicionar la FES com a tecnologia fonamental per a la generació de bioproductes d'alt valor per a l’agroindústria, com biosurfactants, bioestimulants i biopesticides. El projecte inclou el desenvolupament de models matemàtics, disseny i escalat de bioreactors, selecció de microorganismes i avaluació tant ambiental com econòmica del procés.

En aquest context, la tesi es centra en el desenvolupament, implementació i validació d’un model matemàtic que descrigui els fenòmens de transferència de calor i matèria dins d’un reactor de llit empacat per a la producció de SLs mitjançant FES. Per a construir aquest model, es van determinar experimentalment diversos paràmetres clau: propietats tèrmiques del llit, coeficients de transferència de calor i matèria, i coeficients associats a la cinètica microbiana. També es va col·laborar amb la Dra. Isabel Belo de la Universidade do Minho per avaluar la producció de SLs en una configuració alternativa: un reactor horitzontal rotatori.

Cal destacar que aquest treball és el primer del grup de recerca GICOM en què s’aplica la modelització matemàtica als processos de FES. El primer capítol de resultats presenta el model seleccionat i una descripció detallada dels balanços de matèria i energia, així com la resolució numèrica de les equacions diferencials mitjançant el programari Matlab® R2022a.

El capítol següent detalla la metodologia experimental emprada per determinar els paràmetres del model, utilitzant reactors de llit empacat de 0,5 L i recipients Dewar en condicions adiabàtiques. Això va permetre calcular propietats tèrmiques, coeficients de transferència i paràmetres cinètics relacionats amb el metabolisme microbiana i la generació de calor.

La validació del model es va dur a terme utilitzant dades obtingudes d’un reactor de 22 L operat amb dues condicions d’aeració diferents. A partir d’aquestes dades es va realitzar una anàlisi de sensibilitat per identificar quins paràmetres afecten més el perfil tèrmic del sòlid i quins cal caracteritzar amb més precisió.

Posteriorment, es van simular diferents estratègies operatives mitjançant el model validat, amb especial atenció a l’efecte de l’aireig sobre les dinàmiques de temperatura del procés. També es van analitzar altres condicions i configuracions extretes de la literatura per comparar-ne el comportament tèrmic.

Finalment, es va estudiar la viabilitat de dues configuracions alternatives de reactor: bioreactor de tambor horitzontal i bioreactor de safates. Es va analitzar la seva capacitat de producció de SLs, comparant-les amb el sistema de llit empacat per identificar avantatges i limitacions de cada configuració.

La fermentación en estado sólido (FES) se perfila como una tecnología clave para la valorización de residuos orgánicos agroindustriales, favoreciendo así el desarrollo de una bioeconomía circular. Sin embargo, su aplicación a escala industrial presenta aún retos importantes, especialmente relacionados con la transferencia de calor y materia, lo que requiere una comprensión más profunda de los fenómenos involucrados.

Esta tesis se enmarca en dos proyectos que buscan consolidar la FES como herramienta para la producción sostenible de bioproductos. El proyecto Surfing Waste (2021-2024) explora la producción de biosurfactantes glicolipídicos, como los soforolípidos (SLs), a partir de residuos orgánicos. Se estudian distintas condiciones operativas, tipos de residuos, métodos de extracción sostenibles y el uso de nanopartículas, todo con un enfoque de residuo cero.

Por su parte, el proyecto Solstice (2024-2028) tiene como objetivo posicionar la FES como una tecnología central en la producción de biosurfactantes, bioestimulantes y biopesticidas para la agroindustria. Abarca aspectos como el modelado del proceso, el diseño y escalado de biorreactores, la selección de microorganismos, y el análisis técnico, económico y ambiental del sistema.

En este contexto, la presente tesis se centra en el desarrollo, implementación y validación de un modelo matemático para describir los fenómenos de transferencia de calor y materia en un reactor de lecho empacado para la producción de SLs mediante FES. Para ello, se determinaron experimentalmente parámetros clave como las propiedades térmicas del lecho, los coeficientes de transferencia y parámetros cinéticos microbianos. Además, en colaboración con la Dra. Isabel Belo (Universidade do Minho), se estudió la producción de SLs en una configuración alternativa: un reactor rotatorio horizontal.

Este trabajo representa el primer estudio del grupo de investigación GICOM que incorpora modelado matemático en procesos de FES. El primer capítulo de resultados presenta el modelo seleccionado, describiendo los balances de materia y energía, así como la resolución numérica de las ecuaciones diferenciales con el software Matlab® R2022a.

El siguiente bloque describe la metodología experimental utilizada para obtener los parámetros del modelo, mediante ensayos en reactores de 0,5 L y recipientes Dewar bajo condiciones adiabáticas. Esto permitió caracterizar propiedades térmicas, coeficientes de transferencia y rendimientos metabólicos.

La validación del modelo se realizó a partir de datos experimentales obtenidos en un reactor de 22 L, operado bajo dos condiciones distintas de aireación. Posteriormente, se efectuó un análisis de sensibilidad para identificar los parámetros más influyentes sobre el perfil térmico del lecho, priorizando aquellos que requieren una caracterización más precisa.

Con el modelo validado, se simularon diferentes estrategias operativas, enfocadas principalmente en el control de la temperatura a través del aireado. También se analizaron configuraciones y condiciones reportadas en la bibliografía, evaluando su impacto en la dinámica térmica.

Finalmente, se evaluaron dos configuraciones alternativas de reactor: bioreactor de tambor horizontal y bioreactor de bandejas, analizando su capacidad de producción de SLs y comparándolas con el sistema de lecho empacado, lo cual permitió identificar ventajas y limitaciones de cada diseño.

Solid-state fermentation (SSF) is emerging as a key technology for the valorization of agro-industrial organic waste, contributing to the development of a circular bioeconomy. However, its industrial-scale application still faces important challenges, particularly related to heat and mass transfer limitations, which require a deeper understanding of the involved processes.

This thesis is developed within the framework of two projects aiming to establish SSF as a sustainable tool for bioproduct generation. The Surfing Waste project (2021–2024) focuses on the production of glycolipid biosurfactants, such as sophorolipids (SLs), from organic waste. It explores different operational conditions, types of waste, sustainable extraction techniques, and the use of nanoparticles, all within a zero-waste approach.

The Solstice project (2024–2028) aims to position SSF as a central technology in the production of biosurfactants, biostimulants, and biopesticides for the agroindustry. It addresses aspects such as process modeling, bioreactor design and scaling, microbial strain selection, and techno-economic and environmental evaluation.

In this context, the thesis focuses on the development, implementation, and validation of a mathematical model to describe heat and mass transfer phenomena in a packed-bed reactor used for SL production via SSF. Key parameters were experimentally determined, including thermal properties of the bed, transfer coefficients, and microbial kinetic parameters. In collaboration with Dr. Isabel Belo (Universidade do Minho), SL production was also studied in an alternative setup: a rotating horizontal reactor.

This work represents the first study by the GICOM research group to incorporate mathematical modeling into SSF processes. The first results chapter introduces the selected model, including material and energy balances and the numerical resolution of differential equations using Matlab® R2022a.

The following section describes the experimental methodology used to determine model parameters. Tests were performed using 0.5 L packed-bed reactors and Dewar flasks under adiabatic conditions to characterize thermal properties, transfer coefficients, and microbial heat yields.

Model validation was carried out with experimental data from a 22 L reactor operated under two different aeration regimes. A sensitivity analysis followed to identify the parameters with the greatest impact on the thermal profile, helping prioritize those requiring more accurate characterization.

Once validated, the model was used to simulate various operational strategies, mainly focused on aeration control and its effect on process temperature dynamics. Configurations and conditions from the literature were also analyzed for comparison.

Finally, two alternative reactor configurations were evaluated: a horizontal drum bioreactor and a tray bioreactor, assessing their SL production performance and comparing them to the packed-bed system, thus identifying each design’s advantages and limitations.