Producción de ácido succínico con Actinobacillus succinogenes 130Z

• Autores: Itziar Arias Escanciano
• Directores de la Tesis: Miguel Ladero Galán (dir. tes.), Victoria Eugenia Santos Mazorra (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Número de páginas: 442
• Tribunal Calificador de la Tesis: Covadonga Vázquez Estévez (presid.), Juan Manuel Bolivar Bolivar (secret.), Isabel de la Torre Pascual (voc.), Ángel Fernández Mohedano (voc.), Raquel Virto Resano (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología bioquímica
      • Tecnología de la fermentación
      • Microbiología industrial
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    El ácido succínico es un compuesto con multitud de aplicaciones en la industria farmacéutica y alimentaria, producción de resinas, pigmentos, recubrimientos y con gran potencial para la generación de plásticos biodegradables, siendo considerado uno de los 12 principales químicos de plataforma según el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE).Tradicionalmente, la producción de ácido succínico se ha realizado a partir de recursos fósiles, sin embargo, debido a la creciente preocupación por las consecuencias del cambio climático, los esfuerzos de investigación se han centrado en la generación de este ácido mediante métodos biológicos basados en procesos de fermentación, intentando aprovechar biomasa residual de diversa índole con el objetivo de desarrollar una economía circular en el contexto de las biorrefinerías. La presente Tesis estudia el proceso de producción de ácido succínico mediante la acción de Actinobacillus succinogenes 130Z, una bacteria anaeróbica facultativa aislada del rumen del ganado. El objetivo de este trabajo es la optimización de este proceso, estudiar su cinética y fenomenología y aprovechar residuos alimentarios como sustitutos de las fuentes de carbono y de nitrógeno comerciales. En primer lugar, se estudia la influencia en la producción a nivel de reactor de la realización de sucesivas etapas de adaptación del microorganismo a la fuente de carbono en los crecimientos previos llevados a cabo en botella, así como la realización de dos etapas de inóculo. Posteriormente, se busca la optimización de la producción empleando la operación tipo batch mediante la realización de experimentos estudiando distintas condiciones de operación y variables de proceso: concentración inicial de glucosa, concentración inicial de biomasa, concentración de extracto de levadura, velocidad de agitación y caudal de CO2. También se comprueba la viabilidad de la producción de ácido succínico con células en estado de resting, es decir, con células metabólicamente activas pero cuyo crecimiento ha sido inhibido por la ausencia de una fuente de nitrógeno en el medio de cultivo, determinando la influencia de la adaptación a la fuente de carbono, la realización de dos etapas de inóculo, la edad y el estado celular (células libres o inmovilizadas). Una vez establecidas estas condiciones, con el objetivo de abaratar costes del proceso, se llevan a cabo producciones en batch con resting cells cuyo crecimiento había tenido lugar en un medio de cultivo más económico que el que se había empleado hasta ese momento. Por otro lado, con el objetivo de optimizar el proceso, se comparan las formas de operación fed-batch y repeated batch, tanto con células en estado de crecimiento como en estado de resting. Para situar esta Tesis Doctoral en el contexto de una economía circular, se lleva a cabo el tratamiento de residuos de patata de una fábrica de snacks y residuos de bagazo de cerveza y levadura de cerveza gastada de una cervecería local utilizando ácidos o enzimas. La posibilidad de emplear estos residuos en fermentaciones tipo batch y células en crecimiento queda validada. Dado que se observó con azúcares puros que, con células en crecimiento, el mejor modo de operación era repeated batch, se llevan a cabo experimentos con este tipo de operación a partir de hidrolizado de residuos de patata como fuente de carbono e hidrolizado de levadura de cerveza gastada como fuente de nitrógeno. Por otro lado, se llevan a cabo fermentaciones en batch cortando el suministro de CO2 al inicio del proceso y con insuflación continua de este gas, determinándose que la transferencia de CO2 en el sistema no es el fenómeno limitante de la velocidad global del proceso. Con esta premisa se plantean modelos cinéticos no estructurados no segregados que se ajustan con precisión a los datos de evolución temporal del sustrato, productos, subproductos y biomasa en las fermentaciones llevadas a cabo tanto con células en crecimiento como en resting.

  • English

    Succinic acid or butanedioic acid is a compound with many applications in the pharmaceutical and food industry, as well as for the production of resins, pigments, coatings and with great potential for the generation of biodegradable plastics. This acid is considered key in the framework of biorefineries and the bioeconomy, being one of the12 main platform chemicals according to the United States Department of Energy (USDOE). Traditionally, the production of succinic acid has been carried out from fossil resources, mainly through processes of catalytic hydrogenation or paraffin oxidation. However, in recent decades, due to growing concern about the consequences of climate change and the scarcity of fossil resources, research efforts have focused on the generation of this acid through biological methods based on fermentation processes, trying to take advantage of several kinds of residual biomass with the aim of developing a circular economy in the context of biorefineries. The confluence of the increase in the costs of the fossil raw material and the growing development of biological operations have enabled the economic competitiveness of these bioprocesses in the market. However, there is still a great margin for improvement when it comes to increasing their yields and productivities, as well as reducing their operating costs...