Producción biotecnológica de ácido d-láctico a partir de residuos de naranja

Resumen

El ácido láctico (LA) es un compuesto que se produce por vía biotecnológica desde los años 90 usando como sustrato almidón o caña de azúcar. La aplicación más común de este ácido, en su enantiómero L-, es como aditivo en el sector alimentario, aunque es destacable su empleo en la síntesis de polímeros de LA, o polylactic acid (PLA), polímero biodegradable que requiere isómeros puros para su síntesis. Esto ha hecho imprescindible el desarrollo de nuevos métodos de producción de D-LA, capaces de competir con la industria del petróleo en estas nuevas aplicaciones y empleando como sustrato compuestos que no interfieran en el mercado de alimentos. Por ello, se pretende desarrollar un proceso biotecnológico usando residuos de naranja como materia prima para llevar a cabo la producción de D-LA empleando Lactobacillus delbrueckii ssp. delbrueckii como biocatalizador. Este tipo de procesos necesitan tres etapas: pretratamiento, hidrólisis enzimática y fermentación. Para el desarrollo de este trabajo, en primer lugar, es necesario la caracterización de los residuos de naranja para conocer la composición del material. A continuación, como pretratamiento, se lleva a cabo la molienda del residuo hasta un tamaño de partícula de 2 mm. Una vez pretratado el material, se lleva a cabo el estudio de la etapa de hidrólisis enzimática donde se ha trabajado con los siguientes preparados enzimáticos: Novozyme 188, Celluclast 1.5L y Pectinex Ultra SP. En esta etapa, se optimizan los valores de las variables que afectan al proceso, obteniendo los mejores resultados a un pH de 5,2, 50 ºC y 300 rpm. Por otro lado, también se analiza la influencia del porcentaje de sólido empleado, en combinación con el estudio de diferentes concentraciones de enzima empleada, así como la influencia del secado del sólido como pretratamiento, previo a la etapa de hidrólisis enzimática. También se lleva a cabo el proceso en fed-batch, ya que permite incrementar la concentración de azúcares final y reutilizar las enzimas minimizando los costes de las mismas. Como resultado, tras la optimización de esta etapa, se obtienen dos hidrolizados: el primero de ellos obtenido en batch con una concentración de 60 gramos (g) por litro (L) de azúcares y el otro, se obtiene operando en fed-batch con una concentración de azúcares de 120 g por L. La siguiente etapa del proceso es la fermentación, donde se estudian las condiciones de operación de pH y temperatura, y se estudia la composición del medio de cultivo con la finalidad de reducir la fuente de nitrógeno empleada y evaluar el efecto de emplear residuo hidrolizado de naranja. Empleando el hidrolizado de naranja obtenido en batch suplementado con corn steep liquor (CSL) como fuente de nitrógeno, se obtienen 41 g por L de D-LA. En el caso de emplear el hidrolizado obtenido en fed-batch se observa una inhibición por la alta concentración de sustrato; por lo que se decide emplear este hidrolizado diluido y suplementado con CSL, obteniéndose 83 g por L. Por otro lado, se estudia la posibilidad de emplear el microorganismo en estado de resting cells, en este caso se estudia la influencia de la agitación y la concentración de biomasa; así como la adaptación de las células para favorecer el consumo de la mezcla de azúcares presente en el hidrolizado. Los resultados obtenidos empleando el hidrolizado obtenido en batch son 48 g por L de D-LA, y cabe destacar que se obtiene un productividad muy elevada. Empleando el hidrolizado obtenido en fed-batch, diluido a causa de la inhibición, se obtienen 81 g por L de D-LA. La última parte del trabajo consiste en la modelización de las dos etapas del proceso. Primero, se plantean modelos de primer orden de tipo fractal para ajustar datos de producción de glucosa y ácido galacturónico por hidrólisis enzimática. A continuación, se plantea un modelo cinético para la etapa de fermentación y se ajusta a los experimentos llevados a cabo con el hidrolizado como medio de cultivo, entre otros.