Hidrolisis térmica de biomasa celular, separación y fermentación de productos

Resumen

Los lodos de depuradora son un residuo generado diariamente en grandes cantidades y que necesitan una gestión adecuada debido a sus potenciales peligros para la salud y el medioambiente. Aunque actualmente existen métodos para su gestión, éstos se centran en la estabilización, minimización y aprovechamiento energético mediante la producción de biogás, pero ignoran su gran potencial como recurso renovable. El lodo está compuesto por microorganismos, y, por ende, por biomoléculas, como proteínas, carbohidratos o ácidos húmicos. Todas ellas tienen un alto valor comercial debido a sus posibles aplicaciones. Para poder purificar estas biomoléculas es necesario acometer en primer lugar la rotura del lodo. Aunque existen multitud de técnicas de diferente naturaleza para ello, los tratamientos hidrotérmicos son una excelente alternativa. Estas técnicas se basan en la aplicación de altas temperaturas y presiones que permiten conseguir dos objetivos al mismo tiempo: la estabilización y minimización del lodo y la solubilización de sus componentes. Los tratamientos hidrotérmicos pueden llevarse a cabo en atmósferas inertes, denominándose hidrólisis térmica y produciendo reacciones de hidrólisis que llevan a la rotura de las células y la liberación de los componentes intracelulares; o en atmósferas oxidantes, denominándose oxidación húmeda y presentando reacciones hidrolíticas y de oxidación, que transforman los compuestos solubilizados en moléculas con grupos carboxilo, carbonilo, éter, hidroxilo, etc. Aunque la bibliografía proporciona información sobre los cambios que sufre el lodo, hasta ahora obviaba el potencial de estos tratamientos para generar hidrolizados que permitan recuperar las biomoléculas de interés. Por ello, esta tesis pretende explorar la posibilidad de recuperar las biomoléculas de interés presentes en los efluentes de la oxidación húmeda y de la hidrólisis térmica de lodos de depuradora. Debido al porcentaje del lodo que suponen los ácidos húmicos, su interferencia con algunos procesos de precipitación y su baja biodegradabilidad, se estudió de forma específica su comportamiento durante los procesos de oxidación húmeda, buscando así ahondar en el conocimiento sobre el efecto de variables de operación como la temperatura, la presión o el pH de la disolución en la evolución de distintos parámetros de los ácidos húmicos y los productos que se generan a partir de ellos. Dada la versatilidad de los tratamientos hidrotérmicos para tratar biomasas acuosas, la extensión de su aplicación a otras materias primas podría abrir la puerta a la revalorización de residuos, en términos de recuperación de biomoléculas que hasta ahora no se había explorado. Por ello, en esta tesis se evalúa también la factibilidad de la aplicación de la hidrólisis térmica y de la oxidación húmeda a levaduras de cervecería, con el fin de caracterizar estos procesos y evaluar la posibilidad de recuperar proteínas a partir de los hidrolizados obtenidos mediante varias técnicas sencillas como son la precipitación mediada por pH, la precipitación salina y la cromatografía por afinidad con metales inmovilizados. En base a la composición bioquímica del lodo, los hidrolizados obtenidos se presentan como medios ricos en nutrientes, y que por tanto pueden ser utilizados como medios para fermentaciones de interés. Una revisión bibliográfica muestra que este enfoque se aplica para obtener productos de interés como pueden ser los ácidos grasos de cadena corta o los polihidroxialcanoatos mediante diferentes métodos de hidrólisis del lodo, aunque con una clara predominancia de la hidrólisis biológica. Este método es sencillo y económico, pero mediante otros métodos de hidrólisis se podrían obtener hidrolizados aptos para sustentar fermentaciones que acaben en la producción de metabolitos de alto valor, como enzimas. En este sentido, esta tesis explora además la posible aplicación de los hidrolizados de hidrólisis térmica y de oxidación húmeda como medio de fermentación para Bacillus licheniformis CECT 20, un microorganismo capaz de producir enzimas de interés como proteasas y lacasas. Además de subsistir y desarrollarse en los hidrolizados producidos tanto en presencia como en ausencia de oxígeno, Bacillus licheniformis fue capaz de producir proteasas, especialmente utilizando el medio procedente de hidrólisis térmica; y lacasas si se cultivaba en el hidrolizado obtenido tras la oxidación húmeda.