Clostridium fermentation platforms for the production of second-generation bioalcohols from rice straw

El cambio climático constituye una gran amenaza que está obligando a los gobiernos a fomentar políticas activas para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero. La Unión Europea ha promulgado el “Pacto Verde Europeo” que pretende alcanzar cero emisiones netas en 2050. En este contexto, el desarrollo de biorefinerías para producir bioalcoholes por vía fermentativa utilizando como materia prima residuos lignocelulósicos contribuiría a alcanzar el objetivo de la neutralidad climática. Entre las rutas que destacan se encuentran la fermentación acetona-butanol-etanol (ABE) o la fermentación hexanol-butanol-etanol (HBE) ambas llevadas a cabo por bacterias del género Clostridium. El objetivo general de la presente tesis doctoral es la producción de biobutanol y biohexanol mediante fermentación utilizando bacterias del género Clostridium con el propósito de investigar nuevas vías de aprovechamiento de los residuos lignocelulósicos. En concreto, se ha seleccionado la paja de arroz debido a su disponibilidad y abundancia en el Parque Natural de l’Albufera (Valencia, España), uno de los mayores humedales de la cuenca mediterránea donde se cultiva un 18% de la producción española de arroz. La mayor parte de esta tesis doctoral se centró en la producción de butanol via fermentación ABE a partir de paja de arroz utilizando Clostridium acetobutylicum. En el primer trabajo presentado en esta tesis doctoral se evaluó el efecto combinado de la concentración inicial de glucosa y la estrategia de regulación de pH en fermentaciones en discontinuo. En esta etapa se compararon dos estrategias de regulación de pH consistentes en la formulación del medio de cultivo con carbonato de calcio como agente tamponante y una estrategia de control digital consistente en impedir que el pH disminuyera por debajo de un valor de consigna. Con este estudio se demostró la importancia de regular el pH ad hoc en función de la concentración inicial de azúcar. En concreto, la utilización de la estrategia de control de pH mínimo para concentraciones iniciales de glucosa ≥66 g L-1 permitió evitar el fenómeno de choque ácido obteniéndose una concentración de butanol de ~11 g L-1. En el siguiente estudio se amplió la evaluación de las estrategias de regulación de pH desarrolladas anteriormente a xilosa y mezclas de glucosa y xilosa. Los resultados demostraron que C. acetobutylicum se comporta de forma diferente cuando se utiliza xilosa pura como fuente de carbono. En este caso, la producción de biobutanol se vio favorecida al no limitarse el pH mínimo de la fermentación dando lugar a concentraciones de butanol de ~8 g L-1, límite de inhibición al emplear este monosacárido. Para el caso de mezclas de glucosa y xilosa en proporciones similares a las obtenidas en los hidrolizados de paja de arroz se demostró que la estrategia más eficaz en términos de producción de butanol y consumo de xilosa es la formulación de medio con acetato amónico y un control de pH mínimo a 4.8. En la siguiente etapa, se desarrolló una prueba de concepto de un reactor en continuo de tanque agitado con un sistema de retención de biomasa utilizando anillos plásticos con el objetivo de incrementar la productividad de butanol. Para la mezcla de glucosa y xilosa y operando el reactor a una velocidad de dilución de 0.333 h-1 se cuadruplicaron las productividades de butanol y disolventes ABE (butanol: 2.4 g L-1 h-1 y disolventes ABE: 3.7 g L-1 h-1) al compararlas con los mejores resultados de los experimentos en condiciones similares en discontinuo (butanol: 0.6 g L-1 h-1 y disolventes ABE: 0.9 g L-1 h-1). En el siguiente trabajo de esta tesis doctoral se validó el modelo de fermentación en discontinuo usando hidrolizado de paja de arroz. Este hidrolizado se obtuvo a partir de paja de arroz pretratada alcalinamente. En estos ensayos se logró una producción de butanol (disolventes ABE) de 6.5 (9.5) g L-1, consiguiendo resultados similares a los a los obtenidos con sustrato modelo. A continuación, se evaluó el empleo de una estrategia de co-cultivo de C. acetobutylicum y Saccharomyces cerevisiae, obteniéndose un incremento en la producción de disolventes ABE hasta 13.1 g L-1 asociado mayoritariamente a la producción de etanol. Además, se obtuvo un aprovechamiento de xilosa del 94%, el mayor observado en esta tesis doctoral. Finalmente, se realizó una estancia internacional de tres meses en la Università degli Studi di Napoli Federico II (Italia) donde se estudió la producción de bioalcoholes en continuo vía fermentación HBE a partir de corrientes gaseosas de monóxido de carbono, principal componente del gas de síntesis. En estos experimentos se desarrolló un reactor en continuo de tanque agitado en el que se evaluó la influencia del pH empleando Clostridium carboxidivorans. En estos experimentos se obtuvo un incremento de la productividad de hexanol de 1.8 al utilizar un valor de pH 5.6 respecto a un valor de pH 5.4. Además, la utilización de un valor de pH 5.6 resultó en productividades estables de hexanol entre 100 a 140 mg L-1 dia-1 en el rango de 0.034 a 0.083 h-1. Estas productividades se encuentran entre los valores más elevados de la bibliografía.