Estudio comparativo de la producción de polihidroxibutirato por fermentación en medio sólido y fermentación en medio líquido a partir de subproductos agroindustriales Público Deposited
Actualmente, alrededor del 5 % del petróleo mundialmente disponible es utilizado para la fabricación de 200 millones de ton de plástico; se estima que para el año 2100, aumente la demanda a 2000 millones de ton (García y col., 2013). El uso indiscriminado de plásticos en el mundo ha generado importantes problemas de contaminación por lo que se requieren nuevos e innovadores procesos de degradación y reciclaje de este material, así como la implementación tecnologías sustentables de producción de bioplásticos. El polihidroxibutirato (PHB) es un polímero de origen microbiano con características similares al plástico. Por sus propiedades termoplásticas y de degradación, el PHB representa una alternativa para remplazar a los plásticos derivados del petróleo. Sin embargo, una de las limitantes en la producción de PHB a gran escala es la utilización de sustratos químicamente definidos como lo son la glucosa, fructosa, sacarosa y ácido propiónico, que elevan el costo de producción ya que representan el 50 % del costo total (Sindhu y col., 2011); por lo que se requiere de la búsqueda de sustratos de menor costo para que el proceso resulte costeable. En 2018, México se situó como el octavo exportador a nivel mundial de plátano, alcanzando una producción de 2 .5 millones de ton (SIAP-SAGARPA, 2019). El volumen de plátano producido es consumido de manera fresca o utilizado para la elaboración de productos (esencias, jarabes, papillas, cereales, cemas; entre otros). Como resultado de la industrialización del plátano, se generan 2 millones de ton de subproductos de plátano (SP) anuales. El contenido de carbohidratos y otros nutrientes hacen de este material un sustrato idóneo para la producción de PHB. Hoy en día, la Fermentación en Medio Sólido (FMS) es utilizada como una alternativa para la producción de metabolitos a partir de subproductos agroindustriales, esto es debido a los altos rendimientos obtenidos; así como por disminución de gasto en agua de proceso, además de ser una tecnología que demanda bajo costo de inversión En contraste con la Fermentación en Medio Líquido (FML), tecnología que si bien ya se cuenta con fermentadores altamente instrumentados, su uso representa un alto costo en insumos; altos volúmenes de agua residual, sin contar lo costoso que resultan los fermentadores líquidos a nivel industrial. En esta investigación se compara la producción de PHB por FMS y FML a partir de SP como única fuente de carbono y medio de cultivo no optimizado; se utilizó la cepa Yarrowia lipolytica 2.2ab (Yl2.2ab), previamente aislada de subproductos de frutas. Los SP presentaron 6.18% azúcares totales y 2.43 % fibra cruda, una relación C/N de 30.77 ± 1.33. Se evaluó el índice de absorción de agua (IAA), actividad de agua (Aw) y humedad (%) a diferentes tamaños de partícula con el objetivo de seleccionar el tamaño de partícula (0.84 mm), IAA (9.00 ± 1.00 g agua/ g SS) Aw (0.30 ± 0.00) y humedad 4.5 ± 0.00 %. El medio de cultivo para la producción de PHB se formuló con los SP y una solución de oligoelementos (g/l) en solución tampón de K2HPO4/KH2PO4 (3.0 K2HPO4, 2.0 KH2PO4, 3.0 NH4Cl, 0.1, NaCl, 0.1 MnSO4 • 5 H2O, 0.02 FeSO4 • 7 H2O, 0.02 CaCl2, 0.2 MgSO4 • 7 H2O, 0.02 Na2MoO4 • 2 H2O y 0.0635 CuSO4). Las FMS y FML se iniciaron con un inóculo de 1x107 cel por gramo de sustrato seco (SS), pH 7 y se incubó a 45 °C. La FML se realizó en matraces Erlenmeyer de 250 ml con 100 ml de medio (20 g/l SP) y se incubó a 180 rpm. Para la FMS, una vez impregnado el sustrato con el medio e inoculado, se empacaron reactores de charola (5 x 3 x 4.5 cm) con 7.5 g de sustrato previamente acondicionado (70 % humedad). Ambas fermentaciones se corrieron durante 72 hrs, sacrificando por triplicado matraces (FML) y charolas (FMS) cada 8 hrs. En ambos cultivos se comprobó la acumulación de PHB por microscopía de epifluorescencia, y se trazaron las cinéticas de producción de PHB por Yl2.2ab. Se cuantificó el PHB producido en FMS (5.65 ± 3.75 mg PHB/ g SS) y FML (0.08 ± 0.15 mg PHB/ g SS) Se observó que Yl2.2ab produce mayor acumulación de PHB a partir de SP como única fuente de carbono. Los resultados obtenidos son un antecedente a la valorización de SP en la producción de PHB por FMS.
Currently, about 5 % of the world's available oil is used to manufacture 200 million tons of plastic; It is estimated that by the year 2100, demand will increase to 2000 million tons (García et al., 2013). The indiscriminate use of plastics in the world has generated important pollution problems, so new and innovative processes of degradation and recycling of this material are required, as well as the implementation of sustainable bioplastic production technologies. Polyhydroxybutyrate (PHB) is a polymer of microbial origin with characteristics like plastic. Due to its thermoplastic and degradation properties, PHB represents an alternative to replace petroleum-derived plastics. However, one of the limitations in the production of large-scale PHB is the use of chemically defined substrates such as glucose, fructose, sucrose and propionic acid, raising the production cost since they represent 50 % of the total cost ( Sindhu et al., 2011); Therefore, the search for lower cost substrates is required so that the cost of the process is affordable. In 2018, Mexico ranked as the eighth largest exporter of bananas worldwide, reaching a production of 2.5 million tons (SIAP-SAGARPA, 2019). The volume of banana produced is consumed fresh or used to produce all kind of products (essences, syrups, porridge, cereals, pudins, among others). As a result of the industrialization of bananas, 2 million tons of banana by-products (BBP) are generated annually. The content of carbohydrates and other nutrients make this material an ideal substrate to produce PHB. Nowadays, Solid State Fermentation (SSF) is used as an alternative for the production of metabolites from agro-industrial by-products, this is due to the high yields obtained; as well as a decrease in the cost of process water, in addition to being a technology that demands low investment cost. In contrast, Submerged Fermentation (SmF), a technology that although there are already highly instrumented fermenters, its use represents a high cost of inputs; high volumes of wastewater, not counting how expensive liquid fermenters are at the industrial level. This research compares the production of PHB by SSF and SmF from BP as the sole source of carbon and non-optimized culture medium; Yarrowia lipolytica 2.2ab (Yl2.2ab) strain, previously isolated from fruit by-products, was used. The BBP presented 6.18 % total sugars and 2.43 % raw fiber, a C/N ratio of 30.77 ± 1.33. Water absorption index (WAI), water activity (Aw) and humidity (%) at different particle sizes were evaluated in order to select the particle size (0.84 mm), IAA (9.00 ± 1.00 g water / g SS), Aw (0.30 ± 0.00) and humidity 4.5 ± 0.00 %. The culture medium for the production of PHB was formulated with the BBP and a trace element solution (g/l) in buffer solution of K2HPO4/KH2PO4 (3.0 K2HPO4, 2.0 KH2PO4, 3.0 NH4Cl, 0.1, NaCl, 0.1 MnSO4•5 H2O, 0.02 FeSO4•7 H2O, 0.02 CaCl2, 0.2 MgSO4•7 H2O, 0.02 Na2MoO4•2 H2O and 0.0635 CuSO4). The SSF and SmF were started with an inoculum of 1x107 cel per gram of dry substrate (DS), pH 7 and incubated at 45 °C. The SmF was performed in 250 ml Erlenmeyer flasks with 100 ml of medium (20 g/l BBP) and incubated at 180 rpm. For SSF, once the substrate is impregnated with the medium and inoculum, tray reactors (5 x 3 x 4.5 cm) were packed with 7.5 g of previously conditioned substrate (70 % humidity) and inoculated. Both fermentations were run for 72 hrs, sacrificing in triplicate flasks (SmF) and trays (SSF) every 8 hrs. In both cultures the accumulation of PHB was checked by epifluorescence microscopy, and the production kinetics of PHB were plotted by Yl2.2ab. The PHB produced in SSF (5.65 ± 3.75 mg PHB/ g SS) and SmF (0.08 ± 0.15 mg PHB/ g SS) was quantified. Yl2.2ab produced a greater accumulation of PHB from BBP as the only carbon source. The results obtained are an antecedent to the valorization of BBP in the production of PHB by SSF.
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