Novel biocatalytic approaches for the valorization of furfural and 5-hydroxymethylfurfural

Resumen

La actual dependencia en los recursos fósiles para producir energía y productos químicos supone una gran preocupación medioambiental. Encontrar alternativas renovables es crucial para sostener la vida futura en el planeta Tierra. La biomasa, específicamente en forma de lignocelulosa, es una alternativa prometedora porque es abundante como residuo, no compite con el suministro alimentario y es la fuente de carbono más copiosa del planeta, conteniendo altas cantidades de azúcares en forma de celulosa y hemicelulosa. Los monosacáridos se pueden liberar mediante el pretratamiento y la hidrólisis del material lignocelulósico y posteriormente se pueden transformar en combustibles como por ejemplo etanol. El furfural (FF) y el 5 hidroximetilfurfural (HMF) son furaldehídos generados por la deshidratación de azúcares durante el pretratamiento de lignocelulosa y son inhibidores de las cepas encargadas de la fermentación. El estudio de las vías de transformación que conducen a sus derivados menos tóxicos ha abierto nuevas líneas de investigación centradas en la valorización de FF y HMF, dado el elevado valor de sus derivados en las biorrefinerías. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la valorización biocatalítica del FF y del HMF. Inicialmente, se intentó optimizar la oxidación enzimática de HMF en 2,5-diformifurano (DFF) vía galactosa oxidasa, catalasa y peroxidasa de rábano picante. Se obtuvo un rendimiento elevado (>90%) mediante el ajuste de la ratio entre galactosa oxidasa y catalasa y omitiendo la adición de peroxidasa. Sin embargo, se concluyó que el proceso tenía algunas limitaciones y que el uso de microorganismos sería un enfoque más factible (y aún no descrito). En la búsqueda de microorganismos, se consideró un cribado de siete especies de Fusarium, que son productoras naturales de la enzima galactosa oxidasa. Cinco de las especies evaluadas mostraron una alta capacidad para reducir HMF en 2,5-di(hidroximetil)furano (DHMF), y dos de ellas mostraron capacidad para oxidar HMF a DFF con bajos rendimientos y selectividades. La producción de DHMF mediante microorganismos se consideró de interés y se estudió utilizando F. striatum. Mostró una elevada tolerancia hacia el HMF al utilizar tamaños de inóculo pequeños, transformando 75 mM de HMF en 24 h con un rendimiento y selectividad altos. La adición de HMF por lotes permitió una mayor concentración de DHMF en el medio. Finalmente, se evaluó la viabilidad del escalado del proceso y se obtuvo un elevado rendimiento (95%) y selectividad (98%) en un biorreactor a escala de laboratorio (1.3 L), concluyendo que F. striatum es un candidato prometedor para la producción de DHMF. Entre las dos especies de Fusarium que mostraron oxidación de HMF a DFF (F. culmorum y F. sambucinum), la primera mostró resultados preliminares más prometedores y fue seleccionada para la optimización del proceso. Se observó que la fuente de nitrógeno y la concentración de glucosa y peptonas en el medio influyeron en la capacidad de la cepa de transformar el HMF. La concentración de ambos nutrientes se optimizó cuidadosamente a través de la Metodología de Superficie de Respuesta mediante la construcción de dos Diseños Centrales Compuestos sucesivos. Se obtuvo un alto rendimiento (92%) y selectividad (94%) de DFF en las condiciones óptimas a partir de 50 mM de HMF, describiendo por primera vez una producción eficiente de DFF mediante el uso de microorganismos y abriendo una nueva línea de investigación. Finalmente, el último capítulo de esta tesis se centró en el uso de F. striatum como método de desintoxicación biológica en la producción de etanol a partir de hidrolizados lignocelulósicos que contienen altas concentraciones de FF y HMF. El co-cultivo de F. striatum y una cepa de S. cerevisiae que consume xilosa mostró un mejor rendimiento que otros métodos de desintoxicación biológica previamente reportados en la literatura. Además, superó los principales inconvenientes de la desintoxicación biológica: degradó concentraciones de inhibidor significativamente más altas con tasas de degradación superiores, la desintoxicación y fermentación se realizaron simultáneamente, hubo una desintoxicación completa de los inhibidores y no hubo consumo de azúcares durante el proceso de desintoxicación, lo que significa que el rendimiento de etanol no se vio afectado por la presencia de F. striatum. Se obtuvo un alto rendimiento (0.40 g/g) y productividad (0.46 g L/h) de etanol en un biorreactor a escala de laboratorio en presencia de 2.5 g/L de FF y 3.5 g/L de HMF, una concentración de furaldehídos que inhibió la fermentación en ausencia de F. striatum. Además, los derivados alcohólicos de valor añadido del FF y HMF se produjeron durante el proceso de desintoxicación con rendimientos elevados, añadiendo más valor al hidrolizado lignocelulósico. Los procesos biocatalíticos desarrollados en esta tesis proporcionan nuevos métodos sostenibles para producir compuestos de valor a partir de biomasa y abren nuevas líneas de investigación en la valorización del FF y HMF.