Obtención de poli(hidroxialcanoato)s empleando vinazas como sustrato

Abstract

Los biopolímeros se presentan como una opción promisoria a los polímeros sintéticos convencionales, ya que son biodegradables y se obtienen de fuentes renovables. Entre ellos, los poli(hidroxialcanoato)s (PHAs) son biopoliésteres especialmente atractivos por su similitud en propiedades finales con algunos de los polímeros sintéticos, pero con la ventaja adicional de ser biodegradables. Sin embargo, el costo de producción de los PHAs es alto debido, principalmente, al costo de la fuente de carbono. Por lo que buscar materias primas más económicas es crucial para reducir los costos asociados a la producción de estos biopoliésteres. El objetivo de esta tesis fue estudiar la producción de PHAs utilizando vinaza (residuo de la industria del bioetanol) como sustrato y Bacillus megaterium como microorganismo productor. En este sentido, se optimizó la composición del medio de cultivo y las condiciones de fermentación mediante un diseño experimental y la metodología de superficie de respuesta, lográndose una productividad de 0,0105 g.L-1.h-1 Mediante optimización matemática se demostró que producir PHAs a partir de vinaza es económicamente viable, especialmente si el microorganismo productor posee una alta capacidad de acumulación del biopolímero, si la vinaza es pretratada o mezclada con otras fuentes de carbono más accesibles y si se agregan sales minerales al medio. Por otra parte, se exploró la obtención de vinaza seca mediante secado por aspersión, empleando maltodextrina como aditivo coadyuvante y se demostró que su uso como sustrato resultó en una mayor productividad de PHAs (0,0227 g.L-1 h-1) en comparación con la vinaza líquida. Este incremento podría atribuirse a la presencia de la maltodextrina que resultaría en una fuente de carbono más accesible en la fermentación empleado como cepa Bacillus megaterium, en concordancia con los resultados del estudio de factibilidad técnico-económica. Los PHAs biosintetizados se sometieron a una caracterización molecular y térmica mediante Espectroscopía Infrarroja con Transformada Fourier (FTIR), Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y Análisis Termogravimétrico (TGA). Los valores de la temperatura de fusión de los PHAs obtenidos sugieren que el biopolímero podría estar formado por 3HB con comonómeros de cadena mas larga como el 3HV, entre otros. En función de los resultados reportados en la literatura los PHAs obtenidos resentan una temperatura de fusión similar al P(3HB-co-3HV) con una concentración aproximada del 9 mol% HV. Los avances en la optimización de la producción de PHAs utilizando vinaza como sustrato, la evaluación económica, la obtención de vinaza seca y su uso para la síntesis de PHAs y la caracterización de los PHAs permiten avanzar hacia una producción más sostenible de materiales poliméricos biodegradables y renovables. Además, los resultados experimentales obtenidos representan una importante contribución al estudio de la biosíntesis de PHAs empleando procesos biotecnológicos más económicos.

Biopolymers are presented as a promising option to conventional synthetic polymers, since they are biodegradable and they can be obtained from renewable resources. Among them, poly(hydroxyalkanoates)s (PHAs) are especially attractive biopolyesters due to their similarity in final properties to some synthetic polymers, but with the additional advantage of being biodegradable. However, the production cost of PHAs is high, mainly due to the cost of the carbon source. Therefore, looking for more economical raw materials is crucial to reduce the costs associated with the production of these biopolyesters. This thesis focused on studying the production of PHAs using vinasse (residue from the bioethanol industry) as substrate and Bacillus megaterium as the producing microorganism. In this sense, the composition of the culture medium and fermentation conditions were optimized through an experimental design and the response surface methodology, achieving a productivity of 0.0105 g.L-1.h-1. Through mathematical optimization, it was shown that producing PHAs from vinasse is economically viable, especially if the producing microorganism has a high capacity for biopolymer accumulation, if the vinasse is pretreated or mixed with more accessible carbon sources, and if mineral salts are added to the medium. On the other hand, spray drying of vinasse by was explored, using maltodextrin as a coadjuvant additive, in order to obtain dry vinasse. The use of dry vinasse as substrate resulted in a higher productivity of PHAs (0.0227 g.L-1 h-1) compared to the liquid vinasse. This increase could be attributed to the presence of maltodextrin, which would result in a more accessible carbon source for fermentation by Bacillus, in accordance with the results of the technical-economic feasibility study. The biosynthesized PHAs were subjected to molecular and thermal characterization using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), and Thermogravimetric Analysis (TGA). The values of melting temperature of PHAs suggest that the biopolymer obtained could be identified as a copolymer of 3HB with longer monomers such as 3-HV, among others. Comparing the melting temperature with values reported in the literature the obtained PHAs could be a P(3HB-co-3HV) with an approximate concentration of 9 mo % HV. The advances in the optimization of the production of PHAs using vinasse as a substrate, the economic evaluation, the obtaining of dry vinasse and its use for the PHAs synthesis, and the biopolymer characterization allow progress towards more sustainable production of biodegradable polymers using renewable resources. In addition, experimental results obtained represent an important contribution to the biosynthesis of PHAs by cost- effective biotechnological processes.