Producción de 2,3- butanodiol a partir de glicerol (residuos de biodiesel)

Resumen

Desde hace más de una década, la Unión Europea ha apostado por el desarrollo de la industria del biodiesel como alternativa sostenible al empleo de combustibles fósiles en el sector de los transportes. Como subproducto del proceso se genera glicerina en, aproximadamente, un 10 por ciento en masa respecto al biodiesel producido. Debido a la consecuente saturación del mercado de la glicerina, es necesaria la búsqueda de nuevas vías de revalorización de este residuo, con el fin de potenciar la integración en la biorrefinería. La presente Tesis Doctoral profundiza en la revalorización biotecnológica del residuo para producir un compuesto de mayor valor añadido, el 2,3butanodiol (BD). Hasta el momento, este bioproceso ha sido escasamente estudiado, hecho que pone de manifiesto la justificación de esta investigación. La metodología empleada para el desarrollo del bioproceso comprende diferentes etapas, descritas a continuación. Selección del biocatalizador. Se ha estudiado la capacidad para producir BD de dos cepas del género Raoultella en distintas condiciones, relacionadas tanto con las etapas previas de obtención del inóculo como con el medio de cultivo empleado y la temperatura de operación. Cabe destacar que estos biocatalizadores no han sido descritos previamente en bibliografía. Se ha seleccionado R. terrigena como la cepa más eficaz para ser empleada como biocatalizador en las etapas ulteriores. Estudio del estado del biocatalizador. La influencia del estado del biocatalizador en la biotransformación ha sido abordada empleando células en estado de crecimiento y células en estado de reposo o resting cells. Para cada uno de los biocatalizadores se ha ¿profundizado en la influencia de las condiciones y forma de operación para la determinación de los valores óptimos en cada caso. Estudio de las condiciones de operación. Fruto de la revisión del Estado del Arte se han identificado las variables de mayor influencia en la producción biotecnológica de BD. A saber pH y disponibilidad de oxígeno. Ambas variables son determinantes en la distribución de productos de la ruta metabólica. Estudio de la forma de operación. Para maximizar la producción de BD es necesario el estudio de la forma de operación óptima. A través de las conclusiones extraídas en el estudio de la operación en discontinuo (batch) empleando distintas concentraciones iniciales de glicerina, se determina la existencia de inhibición por sustrato para concentraciones iniciales superiores a 140 g por L cuando se emplean células en crecimiento. El desarrollo de la operación en semicontinuo (fedbatch) empleando diferentes perfiles de glicerina se ha llevado a cabo manteniendo siempre la concentración de sustrato en niveles inferiores a 140 g por L. Los resultados obtenidos fueron exitosos en términos de concentración de BD, rendimiento respecto al máximo teórico y productividad. El desarrollo de la operación empleando un biocatalizador compuesto por células en estado de resting cells elimina dicha problemática de inhibición por sustrato. Empleo de glicerol crudo como sustrato. Para ambos sistemas se ha comprobado la viabilidad de la operación empleando como sustrato muestras de glicerol recibidas de una industria de producción de biodiesel, alcazando resultados exitosos en términos de concentración fonal de BD y rendimiento respecto al máximo teórico. Descripción cinética del proceso. Se ha propuesto un modelo cinético de tipo empírico que tiene en cuenta el comportamiento del sistema observado en las etapas anteriores, cuando se emplean tanto células en crecimiento como en estado de resting cells. Se ha comprobado la validez del modelo propuesto a través de la simulación del proceso en fedbatch.