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

Resum

L'actual dependència en els recursos fòssils per a produir energia i productes químics suposa una gran preocupació mediambiental. Trobar alternatives renovables és crucial per sostenir la vida futura al planeta Terra. La biomassa, específicament en forma de lignocel·lulosa, és una alternativa prometedora perquè és abundant com a residu i és la font de carboni més copiosa de la planeta, contenint altes quantitats de sucres en forma de cel·lulosa i hemicel·lulosa. Els monosacàrids es poden alliberar mitjançant el pretractament i la hidròlisi del material lignocel·lulòsic i posteriorment es poden transformar en combustibles com l’etanol. El furfural (FF) i el 5-hidroximetilfurfural (HMF) són furaldehids generats per la deshidratació de sucres durant el pretractament de la lignocel·lulosa i són inhibidors de les soques encarregades de fermentar els sucres. L'estudi de les vies de degradació que condueixen als seus derivats menys tòxics ha obert noves línies d'investigació centrades en la valorització de FF i HMF, donat l’elevat valor dels seus derivats en les biorrefineries. El principal objectiu d'aquesta tesi és contribuir a la valorització biocatalítica del FF i de l’HMF. Inicialment, es va intentar optimitzar l'oxidació enzimàtica d’HMF a 2,5-diformilfurà (DFF) via galactosa oxidasa, catalasa i peroxidasa de rave picant. Es va aconseguir un alt rendiment (>90%) mitjançant l’ajust de la ràtio entre galactosa oxidasa i catalasa i ometent l'addició de peroxidasa. No obstant, es va concloure que el procés tenia algunes limitacions i que l'ús de microorganismes seria un enfoc més factible (i encara no descrit). En la recerca de microorganismes, es va considerar un cribratge de set espècies de Fusarium, que són productors naturals de l'enzim galactosa oxidasa. Cinc de les espècies avaluades van mostrar una alta capacitat per reduir HMF a 2,5-di(hidroximetil)furà (DHMF), i dues d'elles van mostrar capacitat per oxidar HMF a DFF amb baixos rendiments i selectivitats. La producció de DHMF mitjançant microorganismes es va considerar d'interès i es va estudiar utilitzant F. striatum. Va mostrar una elevada tolerància cap al HMF a l'utilitzar mides d'inòcul petites, transformant 75 mM d’HMF en 24 h amb un rendiment i selectivitat alts. L’adició d'HMF per lots va permetre una major concentració de DHMF en el medi. Finalment, es va avaluar la viabilitat de l'escalat de el procés i es va obtenir un elevat rendiment (95%) i selectivitat (98%) en un bioreactor a escala de laboratori (1.3 L), concloent que F. striatum és un candidat prometedor per a la producció de DHMF. Entre les dues espècies de Fusarium que van mostrar oxidació d’HMF a DFF (F. culmorum i F. sambucinum), la primera va mostrar resultats preliminars més prometedors i va ser seleccionada per a l'optimització del procés. Es va trobar que la font de nitrogen i la concentració de glucosa i peptones en el medi van influir en la capacitat de la soca de transformar l'HMF. La concentració de tots dos nutrients es va optimitzar acuradament a través de la Metodologia de Superfície de Resposta mitjançant la construcció de dos Dissenys Centrals Compostos successius. Es va obtenir un alt rendiment (92%) i selectivitat (94%) de DFF en les condicions òptimes a partir de 50 mM d’HMF, descrivint per primera vegada una producció eficient de DFF mitjançant l'ús de microorganismes i obrint una nova línia d'investigació. Finalment, l'últim capítol d'aquesta tesi es va centrar en l'ús de F. striatum com a mètode de desintoxicació biològica en la producció d'etanol a partir d'hidrolitzats lignocel·lulòsics que contenen altes concentracions de FF i HMF. El co-cultiu de F. striatum i una soca de S. cerevisiae que consumeix xilosa va mostrar un millor rendiment que altres mètodes de desintoxicació biològica prèviament reportats en la literatura. A més, va superar els principals inconvenients de la desintoxicació biològica: va degradar concentracions d'inhibidor significativament més altes amb taxes de degradació superiors, la desintoxicació i fermentació es van realitzar simultàniament, hi va haver una desintoxicació completa dels inhibidors i no hi va haver consum de sucres durant el procés de desintoxicació, el que significa que el rendiment d'etanol no es va veure afectat per la presència de F. striatum. Es va obtenir un alt rendiment (0.40 g/g) i productivitat (0.46 g/L/h) d'etanol en un bioreactor a escala de laboratori en presència de 3.5 g/L d’HMF i 2.5 g/l de FF, una concentració de furaldehids que va inhibir la fermentació en absència de F. striatum. A més, els derivats alcohòlics de valor afegit de l'FF i HMF es van produir durant el procés de desintoxicació amb alts rendiments, afegint més valor a l'hidrolitzat lignocel·lulòsic. Els processos biocatalítics desenvolupats en aquesta tesi proporcionen nous mètodes sostenibles per a produir compostos de valor a partir de biomassa i obren noves línies de investigació en la valorització del FF i HMF.