Production of Bio-Based Chemicals and Polymers from Renewable Feedstocks: Bioprocesses Development

Abstract

[ES] El aprovechamiento de subproductos para producir biocombustibles, energía y compuestos químicos básicos es cada vez más necesario en la situación actual de escasez de petróleo y preocupación por el medioambiente. Muchos compuestos que tradicionalmente han sido producidos a partir del petróleo pueden sintetizarse hoy día de forma biotecnológica empleando recursos renovables. En este contexto, los microorganismos pueden aprovecharse eficazmente como biocatalizadores para llevar a cabo estas transformaciones. Con este tipo de procesos se pueden aprovechar residuos o materias primas renovables para la obtención de productos de interés como bioplásticos de origen microbiano o productos químicos que pueden servir como monómeros para la síntesis de plásticos biodegradables u otro tipo de aplicaciones. La contaminación ambiental causada por los residuos de polímeros sintéticos no biodegradables es un problema en aumento debido a la estabilidad de los compuestos derivados de los combustibles fósiles. En contraste, los bioplásticos pueden obtenerse de fuentes renovables, lo que posibilita el desarrollo de procesos de producción sostenible. En este trabajo de investigación se han estudiado y desarrollado bioprocesos para la producción de polihidroxialkanoatos, 2,3-butanodiol y ácido D-láctico de forma sostenible empleando materias primas renovables como el suero lácteo de quesería, aceite de camelina, glicerina, fracción orgánica de residuos urbanos y residuos de naranja. La caracterización de las materias primas de partida se realizó mediante técnicas de análisis composicional, análisis en HPLC, cromatografía de gases y técnicas espectrofotométricas. Con estos resultados se hizo una selección de cepas bacterianas capaces de sintetizar los productos de interés a partir de los sustratos seleccionados. Una vez seleccionadas las cepas, el trabajo se centró en el desarrollo de los procesos para conseguir buenos rendimientos de fermentación y su escalado. Por lo tanto, este trabajo de investigación aporta conocimientos sobre la identificación y selección de biocatalizadores industriales para el uso de materias primas renovables y residuos industriales para la producción de productos químicos y polímeros de base biológica. Estos estudios allanan el camino para el futuro desarrollo de procesos biotecnológicos sostenibles en el marco de las biorrefinerías y de la bioeconomía circular.

[CA] L'aprofitament de bioproductes per produir biocombustibles, energia i compostos químics bàsics és cada vegada més necessari en la situació actual d'escassetat de petroli i preocupació pel medi ambient. Molts compostos que tradicionalment s'han produït a partir de petroli es poden sintetitzar hui en dia biotecnològicament utilitzant recursos renovables. En aquest context, els microorganismes es poden utilitzar eficaçment com a biocatalitzadors per dur a terme aquestes transformacions. Amb aquest tipus de processos es poden utilitzar residus o matèries primeres renovables per obtenir productes d'interès com bioplàstics d'origen microbià o químics que puguen servir de monòmers per a la síntesi de plàstics biodegradables o altres aplicacions. La contaminació ambiental causada per residus de polímers sintètics no biodegradables és un problema creixent a causa de l'estabilitat dels compostos de combustibles fòssils. Per contra, els bioplàstics es poden obtenir a partir de fonts renovables, permetent el desenvolupament de processos productius sostenibles. En aquest treball de recerca s'han estudiat i desenvolupat bioprocessos per a la producció de polihidroxialcanoats, 2,3-butanodiol i àcid D-làctic de manera sostenible utilitzant matèries primeres renovables com sèrum de llet, oli de camelina, glicerina, fracció orgànica de residus urbans i residus de taronges. La caracterització de matèries primeres inicials es realitza mitjançant tècniques d'anàlisi composicional, anàlisi HPLC, cromatografia de gasos i tècniques espectrofotomètriques. Amb aquests resultats es crea una selecció de soques bacterianes capaç de sintetitzar els productes d'interès dels substrats seleccionats. Una vegada seleccionades les soques, el treball es va centrar en el desenvolupament dels processos per aconseguir uns bons rendiments de fermentació i el seu escalat. Per tant, aquest treball de recerca aporta coneixements sobre la identificació i selecció de biocatalitzadors industrials per a l'ús de matèries primeres renovables i residus industrials per a la producció de productes químics i polímers de base biològica. Aquests estudis amplien el coneixement per al futur desenvolupament de processos biotecnològics sostenibles en el marc de la biorefineria i la bioeconomia circular.

[EN] The use of by-products to produce biofuels, energy and basic chemicals is increasingly necessary in the current situation of oil shortages and environmental concern. Many compounds that have traditionally been produced from oil can now be synthesised in a biotechnological way using renewable resources. In this context, microorganisms can be effectively used as biocatalysts to carry out these transformations. With this type of process, waste streams or renewable raw materials can be used to obtain products of interest such as bioplastics of microbial origin or chemical products that can serve as monomers for the synthesis of biodegradable plastics or other types of applications. Environmental pollution caused by non-biodegradable synthetic polymer waste is a growing problem due to the stability of compounds derived from fossil fuels. In contrast, bioplastics can be obtained from renewable sources, which enables the development of sustainable production processes. In this research work, bioprocesses for the production of polyhydroxyalkanoates, 2,3-butanediol and D-lactic acid using renewable raw materials such as cheese whey, camelina oil, glycerine, organic waste and orange waste were studied and developed. The characterisation of the raw materials was carried out using compositional analysis, HPLC analysis, gas chromatography and spectrophotometric techniques, among others. With these results, a selection of bacterial strains capable of synthesising the products of interest from the selected substrates was made. Once the strains were selected, the work was focused on process development in order to optimize fermentation yields and scale-up. Therefore, this research work provides knowledge on the identification and selection of industrial biocatalysts for the use of renewable feedstocks and industrial wastes for the production of bio-based chemicals and polymers. These studies pave the way for further development of sustainable biotechnological processes in the framework of biorefineries and circular bioeconomy.