Estrategias moleculares y de bioprocesos para la producción de hidrógeno, etanol y 2,3-butanodiol utilizando residuos agro-industriales como sustrato

Abstract

"La generación de biocombustibles ofrece prometedoras ventajas sobre los combustibles fósiles, ya que estos son producidos bajo condiciones de presión y temperatura ambiente. De entre los procesos biológicos de producción de biocombustibles, la fermentación oscura presenta altas velocidades de producción, requiere de tecnologías sencillas y es posible utilizar una gran variedad de sustratos de bajo costo que no compiten con la alimentación humana. Además, es posible producir de forma simultánea diferentes biocombustibles gaseosos y líquidos con alto contenido energético, tales como el hidrógeno (122 kJ g-1), etanol (29.01 kJ g-1) y 2,3-butanodiol (27.2 kJ g-1). Por lo tanto, en este trabajo se evaluaron diferentes estrategias para mejorar la producción de estos biocombustibles utilizando bacterias psicrófilas y mesófilas. En el primer capítulo se muestra la optimización de las condiciones operacionales y de la composición del medio de producción de hidrógeno por la bacteria antárctica N92, usando glucosa como sustrato. Los resultados mostraron que las condiciones óptimas para el máximo rendimiento de hidrógeno de 1.7 mol mol-1 glucosa fueron 29°C, pH inicial 6.86 y 28.4 g dm-3 glucosa, así como también una concentración inicial de (NH4)2SO4, FeSO4 y NaHCO3 de 1.55, 0.53 y 1.64 g dm-3, respectivamente. En el segundo capítulo se presenta la producción simultánea de hidrógeno, etanol y 2,3-butanodiol por la bacteria antárctica GA0F utilizando diferentes sustratos agroindustriales tales como el suero de leche en polvo (CWP), hidrolizado de paja de trigo (HWS) y melaza de caña de azúcar (SCM). De los sustratos evaluados se concluyó que el mayor rendimiento de hidrógeno (73.5 ± 10 cm3 g-1), etanol (0.24 ± 0.03 g g-1) y 2,3-butanodiol (0.42 ± 0.04 g g-1) se presentó utilizando CWP como fuente de carbono a 25°C seguido por el uso de SCM y WSH. Por otro lado, en el tercer capítulo presenta la expresión de una α-amilasa de Bacillus megaterium en la superficie celular de las cepas sobreproductoras de hidrógeno de E. coli utilizando el sistema de autotransporte AIDA para la conversión de almidón en hidrógeno, etanol y ácido succínico. Por último, en el cuarto capítulo se muestra la optimización de la producción de hidrógeno por E. asburiae utilizando CWP como sustrato, así como también un estudio quimiométrico de los metabolitos solubles producidos las condiciones experimentales. Las condiciones óptimas fueron 25.6°C, pH inicial 7.1 y 22.8 g dm-3 CWP para obtener un rendimiento y velocidad de producción de 1.2 mol mol-1 lactosa y 9.34 cm3 dm-3 h-1, respectivamente. El análisis quimiométrico permitió identificar que la producción de ácido acético, ácido fórmico y etanol fue estimulada principalmente a una baja temperatura de 15°C, mientras que la producción de ácido succínico, ácido láctico y 2,3-butanodiol fue favorecida por las condiciones de 30°C, pH inicial 6.8 y CWP ≥ 30 g dm-3."

"Biofuel generation offers promising advantages over fossil fuels since these are produced under ambient pressure and temperature conditions. Among the different biological methods for the biofuel production, dark fermentation offers high production rates, requires simple technology and it is possible to use a wide variety of substrates which do not compete with human feed. Also, it is possible to produce simultaneously different gaseous and liquid biofuels with high heating value, such as hydrogen (122 kJ g-1), ethanol (29.01 kJ g-1) and 2,3-butanediol (27.2 kJ g-1). Therefore, in this work, different strategies were evaluated to improve the production of these biofuels using psychrophilic and mesophilic bacteria. The first chapter shows the optimization of the operating conditions as well as the composition of the hydrogen production medium for the antarctic N92 bacterium using glucose as substrate. The results showed that optimum conditions for the maximum hydrogen yield of de 1.7 mol mol-1 glucose were 29°C, initial pH 6.86 and 28.4 g dm-3 glucose, along with an initial concentration of (NH4)2SO4, FeSO4 and NaHCO3 of 1.55, 0.53 and 1.64 g dm-3 respectively. The second chapter shows the simultaneous production of hydrogen, ethanol and 2,3-butanediol by the antarctic GA0F bacterium using different agro-industrial residues such as cheese whey powder (CWP), wheat straw hydrolysate (WSH) and sugarcane molasses (SCM). From the evaluated substrates it was concluded that the highest hydrogen (73.5 ± 10 cm3 g-1), ethanol (0.24 ± 0.03 g g-1) and 2,3-butanediol (0.42 ± 0.04 g g-1) yield was achieved using CWP as carbon source at 25°C followed by the use of SCM and WSH. On the other hand, the third chapter shows the expression of an α-amylase from Bacillus megaterium on the cellular surface of E. coli by the autotransport system AIDA with the aim to achieve the starch conversion into hydrogen, ethanol and succinic acid. Finally, the fourth chapter shows the optimization of the operating conditions for hydrogen production by Enterobacter asburiae using CWP as substrate, as well as the chemometric study of the soluble metabolites produced in the different experimental conditions. The optimum conditions were 25.6°C, initial pH 7.2 and 23 g dm-3 CWP for the highest hydrogen yield and production rate of 1.2 mol mol-1 lactose and 9.34 cm3 dm-3 h-1, respectively. The chemometric analysis allowed to identify that the acetic acid, formic acid and ethanol production was stimulated by the low temperature of 15°C, while the synthesis of succinic acid, lactic acid and 2,3-butanediol was favored by the conditions of 30°C, initial pH 6.8 and CWP ≥ 30 g dm-3."