Valorización del subproducto raquis de palma mediante la producción del biopolímero polihidroxibutirato (PHB)

Abstract

RESUMEN: Halomonas boliviensis es una bacteria halófila moderada capaz de crecer utilizando varias fuentes de carbono, y así mismo puede acumular polihidroxibutirato (PHB) a partir de sustratos económicos como hidrolizados de biomasa lignocelulósica o no convencionales. La producción de PHB con H. boliviensis debe llegar a ser competitiva como los procesos a partir de fuentes petroquímicas. Para que este proceso sea económicamente viable, se necesitan altos rendimientos utilizando los medios de cultivo económicos, por lo cual se deben encontrar las condiciones operacionales y nutricionales que favorezcan la producción de PHB, tales como: pH, temperatura, agitación, concentración de la fuente de carbono y de las fuentes de nutrientes claves en el direccionamiento a la acumulación del material de interés, entre ellos nitrógeno, fósforo y azufre. Al utilizar hidrolizado de raquis de palma como sustrato no convencional de bajo costo, H. boliviensis es capaz de utilizar los azúcares glucosa, xilosa y arabinosa presentes en el hidrolizado, prefiriendo a la glucosa para un mayor crecimiento y acumulación de PHB. Al realizar esta evaluación, se logró alcanzar un contenido de PHB del 38,8 % (m/m) del peso seco de la célula (7,8 g/L) consumiendo 6,5 g/L y 1,0 g/L de glucosa y xilosa, respectivamente, después de 72 horas de fermentación a escala matraz, entre 250 mL y 500 mL. Para favorecer la acumulación de PHB, en este estudio se determinó que, de seis condiciones experimentales (tres nutricionales y tres operacionales), los valores de los factores que permitían obtener el máximo de biomasa y de PHB fueron: 31 °C, 7,0 y 1,6 g/L para temperatura, pH y concentración inicial de KH2PO4, respectivamente. La validación de los valores máximos predichos se realizó con un ensayo experimental, obteniendo concentraciones de 9,2 g/L y 6,5 g/L de biomasa y PHB, respectivamente, para observar el porcentaje de desviación con respecto a los valores teóricos de 26 % (m/m) para biomasa y 4 % (m/m) para PHB. Bajo las condiciones nutricionales y operacionales definidas como mejores condiciones para la obtención de PHB, se realizó la validación usando como fuente de carbono hidrolizado de raquis de palma y como fuente de nitrógeno hidrolizado de gluten de trigo, presentándose un consumo de glucosa de 11,1 g/L, una concentración máxima de biomasa de 6,4 g/L y una concentración máxima de PHB de 2,3 g/L, para un porcentaje de acumulación de PHB del 35,7 % (m/m); lo que representa un buen comportamiento para la obtención de PHB con Halomonas boliviensis usando medios de cultivo económicos. Finalmente se escaló la producción de PHB a nivel biorreactor de 3 L utilizando H. boliviensis bajo las condiciones nutricionales y operacionales definidas anteriormente. Se presentó un consumo de glucosa de 13,1 g/L y de xilosa de 2,0 g/L a partir del hidrolizado de raquis de palma, y se obtuvieron concentraciones finales de biomasa y PHB de 10,6 g/L y 4,1 g/L, respectivamente; lo que representa un porcentaje de acumulación del 45,5 % (m/m). Es así como en esta tesis doctoral se determinaron las condiciones operacionales y nutricionales que favorecen el proceso de producción de polihidroxibutirato (PHB) a partir de Halomonas boliviensis utilizando como fuente de carbono hidrolizado de raquis de palma, lo que viabiliza la valorización de este desecho de la industria colombiana de palma de aceite.

ABSTRACT: Halomonas boliviensis is a moderate halophilic bacterium, capable of growing using various carbon sources, and accumulate polyhydroxybutyrate (PHB) from inexpensive substrates such as hydrolysates from lignocellulosic biomass or non-conventional sources. The production of PHB with H. boliviensis should become as competitive as biopolymers from petrochemical sources. For this process to be economically viable, high yields are needed when using low-cost culture media. Therefore, the operational and nutritional conditions improving the obtaining of PHB must be found, e.g., pH, temperature, agitation, carbon source, and essential nutrient sources, among them, nitrogen, phosphorus, sulfur. H. boliviensis can consume the main reducing sugars from the oil palm empty fruit bunch hydrolysate, a low-cost non-conventional substrate, (i.e., glucose, xylose, and arabinose) where glucose is the preferred sugar for growth Biomass production and PHB accumulation. A 38.8% of PHB content (wt. %) from the dry weight of the cell (7.8 g/L) was obtained, and the consumption of sugars after 72 hours of fermentation at flask scale was 6.5 g/L and 1.0 g/L, of glucose and xylose, respectively. To increase the accumulation of PHB, six experimental factors (nutritional and operational conditions) were evaluated in this study, biomass and PHB higher values were obtained at: 31 °C, 7.0 and 1.6 g/L of temperature, pH and KH2PO4, respectively. Validation of the predicted values showed concentrations of 9.2 g/L and 6.5 g/L of biomass and PHB, respectively. A deviation from the theoretical values was 26 (wt. %) for biomass and 4 (wt. %) for PHB. Under the nutritional and operational conditions defined as the best conditions for obtaining PHB, validation was carried out using as a carbon and nitrogen sources the oil palm empty fruit bunch hydrolysate and hydrolyzed wheat gluten, respectively. Glucose consumption was 11.1 g/L, biomass growth 6.4 g/L, and 2.3 g/L PHB production related to 35.7 (wt. %) of PHB accumulation, which are notable results for the obtaining of PHA with Halomonas boliviensis using economic culture media. Finally, the production of PHB was scaled up to a 3L bioreactor level using H. boliviensis under the nutritional and operational conditions defined above. It was show a glucose and xylose consumption of 13.1 g/L and 2.0 g/L from the oil palm empty fruit bunch hydrolysate, respectively. Final biomass and PHB concentrations of 10.6 g/L and 4.1 g/L were obtained, respectively, leading to a 45.5% PHB accumulation (wt. %). Thus, in this doctoral thesis the operational and nutritional conditions improving the production of polyhydroxybutyrate (PHB) by Halomonas boliviensis using an oil palm empty fruit bunch hydrolysate as carbon source were determined, giving an insight of the potential valorization of this by-product from the Colombian oil palm industry.