Con el objetivo de contribuir a la mejora en el pretratamiento de la biomasa mediante el uso de procesos más simples y escalables, en su tesis de doctorado, la investigadora del grupo BiotecnIA de la Universidade de Vigo María Guadalupe Morán abordó con éxito la producción de enzimas hidrolíticas (a partir de Aspergillus niger en fermentación en estado sólido) y su aplicación en residuos lignocelulósicos pretratados con disolventes eutécticos profundos para obtener azúcares fermentables.
La tesis, del programa de Ciencia e Tecnoloxía Agoalimentaria del Campus Auga fue presentada en la Facultade de Ciencias del campus de Ourense. Estuvo dirigida por José Manuel Domínguez (Universidade de Vigo) y Montserrat Calderón (Instituto Tecnológico de Tepic, México) y codirigida por María Guadalupe Aguilar (Instituto Tecnológico de Veracruz, México). María Guadalupe Morán está licenciada en Ingeniería Bioquímica por el Instituto Tecnológico de Veracruz, ha realizado el Máster en Ciencias en Ingeniería Bioquímica en esa misma institución y el doctorado en doble titulación por el Instituto Tecnológico de Tepic (Ciencias en Alimentos) y por la UVigo (Ciencia e Tecnoloxía Agroalimentaria).
Estrategias simples y ecológicas
Según explica la ya doctora, los residuos lignocelulósicos ricos en polisacáridos y lignina, como el bagazo de caña de azúcar y el bagazo de cerveza empleados en su tesis, se pueden utilizar para producir compuestos de alto valor añadido. Sin embargo, detalla, «la estructura recalcitrante propia de la biomasa lignocelulosa dificulta su utilización eficiente, por el cual, la etapa de pretratamiento se ha convertido en crucial para el éxito de los procesos de biorrefinería». Por otra parte, añade Morán Aguilar, «debido a los diversos inconvenientes presentados por los pretratamientos convencionales, existe la necesidad de desarrollar estrategias de pretratamiento simples y ecológicas que ayuden a superar el cuello de botella de los procesos de biorrefinería». Por todo ello, en su trabajo se propuso el uso de disolventes eutécticos profundos (DEP), ya que han sido reconocidos cómo solventes «prometedores para el pretratamiento de biomasa, además de ser renovables, reciclables y de bajo coste».
Por otra parte, detalla María Guadalupe Morán, debido al alto precio de las enzimas comerciales y su baja disponibilidad (lo que obstaculiza el desarrollo de tecnología y su aplicación en los procesos de biorrefinería) se propuso en su tesis el uso de «técnicas de fermentación de bajo coste y más eficaces, como la fermentación en estado sólido (FES) mediante el uso de residuos lignocelulósicos como fuente de carbono y soporte en conjunto y con cepas microbianas con habilidad en la síntesis de proteínas para la obtención de complejos enzimáticos con actividad hidrolítica». Su finalidad fue la generación «tecnología eficaz para su aplicación en procesos de biorrefinería y que en conjunto con los pretratamientos DEP promuevan un proceso simple, escalable y viable en la producción de hidrolizados ricos en azúcares fermentables».
Empleando bagazo de caña de azúcar y de cerveza
En este marco de trabajo, el objetivo general del estudio, explica su autora, fue «determinar las mejores condiciones para la obtención de un extracto enzimático con actividad hidrolítica mediante la técnica de FES para posteriormente aplicarlo en el material rico en polisacáridos obtenido del pretratamiento con los disolventes eutécticos profundos para la liberación de azúcares fermentables». La metodología empleada consistió primeramente en determinar el efecto de la fuente de carbono, empleando como sustrato durante la FES el orujo de caña de azúcar y el orujo de cerveza para la producción de enzimas como las celulasas y xilanasas y utilizando diferentes cepas de Aspergillus niger. Posteriormente, se analizó en mayor profundidad el efecto de diferentes variables como la humedad, el tiempo de fermentación y la carga de lecho, para la optimización de la producción de enzimas hidrolíticos empleando el microorganismo A. niger CECT 2700. A continuación, apunta la investigadora, se evaluó el efecto de diferentes mezclas eutécticas sobre los residuos lignocelulósicos, con el fin de promover una deconstrucción mejorada que permitiera un mayor acceso de las enzimas hidrolíticas por el sustrato durante la hidrólisis enzimática.
Además, con el objetivo de generar un proceso amable con el ambiente, escalable y viable económicamente, se estudió el resultado de aplicar diferentes donadores de enlaces de hidrógeno en las mezclas eutécticas y distintas condiciones de operación, como el tiempo de reacción y la temperatura. Conjuntamente, el fin de promover un concepto de modelo circular también se analizó el efecto del reciclado de los disolventes eutécticos profundos durante el pretratamiento de biomasa, así como la estructura de la biomasa obtenida en cada ciclo y la lignina recuperada.
Entre las conclusiones del estudio, su autora destaca que «los resultados demostraron la efectividad en la producción de un extracto enzimático con capacidad hidrolítica empleando técnicas de fermentación en estado sólido y residuos agroindustriales como fuente de carbono, promoviendo así un proceso ambientalmente sostenible debido a su bajo coste y simple implementación en los procesos de biorrefinería». Igualmente, añade María Guadalupe Morán, el análisis de diferentes factores relacionados con el rendimiento de la deconstrucción de biomasa lignocelulósica utilizando los DEP como pretratamiento, mejoró la digestibilidad enzimática obteniendo rendimientos entre un 90% y 70% para glucanos y xilanos respectivamente. De este modo, indica, «se puede destacar la eficiencia de los disolventes eutécticos profundos para la mejora en la transformación de la biomasa mediante el uso de procesos simples y escalables para la biorrefinería lignocelulósica».