Valorisation of lignocellulosic residues for lactic acid and bioetanol production in a biorefinery context

Resumen

La biomasa lignocelulósica, debido a su contenido en azúcares, gran disponibilidad y bajo precio, presenta mucho interés como sustrato para la obtención de bioproductos. Entre ellos, el ácido láctico se utiliza para producir alimentos, fármacos, químicos y biopolímeros, mientras que el bioetanol es un biocombustible potencial sustituto de la gasolina. En esta Tesis se plantean diferentes estrategias para la producción de ácido láctico y bioetanol a partir de materiales lignocelulósicos como paja de trigo y residuos de poda de jardines. La explosión de vapor se aplicó como pretratamiento para la fragmentación y deconstrucción de estos materiales. Como resultado, se obtiene un material pretratado que puede ser valorizado directamente o separado en diferentes fracciones por filtración. En primer lugar, se abordó la producción separada de ácido láctico y bioetanol a partir de prehidrolizados (ricos en la fracción hemicelulósica) y residuo sólido insoluble (ricos en celulosa), respectivamente. La mayor recuperación de azúcares en los prehidrolizados se produjo mediante extracción acuosa, seguida de explosión de vapor catalizada con H2SO4. En aquellos casos en los que fue necesario, se realizó también una hidrólisis enzimática. Lactobacillus pentosus CECT 4023T fue capaz de co-utilizar diferentes azúcares de estos hidrolizados, produciendo ácido láctico y acético. El efecto inhibidor producido por productos de degradación y ácidos fue aliviado mediante la reducción de la presencia de oxígeno y el control del pH del medio, alcanzando 0.5-0.7 g g-1 de ácido láctico, a partir de hidrolizado de paja de trigo y de poda. Mayores rendimientos (0.9-1 g g-1) fueron obtenidos por diferentes cepas de Bacillus coagulans a partir de hidrolizados de poda, sin producir ácido acético como subproducto. A continuación, el medio de poda fermentado fue sometido a un novedoso método de membranas, consiguiendo eliminar la mayoría de las impurezas y liberar el ácido láctico de las sales de lactato formadas al añadir agentes neutralizantes. Además, con el objetivo de reducir la necesidad de neutralización, se obtuvo una nueva cepa evolucionada de L. pentosus con el doble de velocidad de consumo de xilosa a pH bajo que la parental. Con respecto a la producción de bioetanol, el residuo sólido insoluble de la biomasa de poda fue sometido a una hidrólisis y fermentación separada con Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red, produciendo 0.43 g g-1. De esta forma, se comprobó cómo ambas fracciones obtenidas a partir de residuos de poda de jardines podían ser valorizadas de forma separada para la producción de bioetanol y ácido láctico. El material pretratado completo de paja de trigo (15 % p v-1) se utilizó en una fermentación secuencial para la producción integrada de bioetanol y ácido láctico. En primer lugar, 0.49 g g-1 de bioetanol fueron obtenidos mediante sacarificación y fermentación simultánea en fed-batch, demostrando la tolerancia de Ethanol Red a altas concentraciones de sólidos e inhibidores. El medio resultante, rico en bioetanol y pentosas (no metabolizables por S. cerevisiae), fue utilizado por una población de B. coagulans adaptada a etanol 6 % (v v-1), previamente obtenida mediante evolución en quimiostato. Esta bacteria fue capaz de tolerar la presencia de bioetanol y de productos de degradación en el medio de paja de trigo diluido 1:2, alcanzando un rendimiento de 1 g g-1. En esta Tesis se ha conseguido una valorización completa de azúcares de diferentes materiales lignocelulósicos para la producción de ácido láctico y bioetanol. Se ha obtenido un mayor conocimiento de las condiciones óptimas de fermentación y la tolerancia a estrés de los microorganismos utilizados y se han desarrollado cepas evolucionadas con características mejoradas para diferentes procesos fermentativos. Tanto el enfoque separado como el integrado ofrecen diferentes ventajas y pueden ser considerados para su aplicación en futuras biorefinerías lignocelulósicas.