Búsqueda de nuevos biocatalizadores para la valorización de residuos lignocelulósicos

Abstract

Las enzimas son biocatalizadores eficientes que se investigan para su uso a escala industrial. Según Business Communication Company (BCC) Research, se prevé que el mercado global de enzimas aumente de $ 5.01 mil millones en 2016 a $ 6.32 mil millones en 2021, con tendencias del mercado que predice un cambio hacia una mayor producción de enzimas para las industrias textiles, del papel, el cuero y las biorrefinerías (Chapman, Ismail y Dinu, 2018). Se estima que tales proyecciones de mercado son en gran medida impulsadas por el desarrollo de procesos en la producción enzimática de biocombustibles que han crecido en últimas décadas. Este interés está motivado por el enorme potencial que tiene la biomasa lignocelulósica para la generación de energía y bio-productos y la reducción de la dependencia de materias primas no renovables, lo que conduce a una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (Silva, Vaz y Filho, 2018). Es en este contexto que surge el concepto de biorrefinería, en la que se busca agregar valor a la biomasa lignocelulósica. Sin embargo, la etapa de hidrólisis enzimática de la lignocelulosa está en desarrollo ya que existen dificultades operacionales, como resultado el proceso general es muy costoso y se refleja en el precio del producto, lo que reduce la competitividad en el mercado. Por lo tanto, aún se necesita mucha investigación para mejorar la viabilidad operacional y financiera de este proceso. Una de las vías es mejorar la etapa de hidrólisis enzimática a través de la eficiencia de la enzima y la reducción del costo de producción de ésta (Kumar y Sani, 2017). En particular, dentro del sistema de enzimas degradadoras del material lignocelulósico, las xilanasas y celulasas tienen una importancia significativa en esta y otras industrias. En la presente tesis se contribuyó a la valorización de residuos lignocelulósicos mediante la aplicación de enzimas xilanasa y celulasa producidas a partir de microorganismos nativos. De acuerdo a los objetivos propuestos en esta tesis, se realizaron aislamientos de microorganismos a partir de diferentes partes (ramas, corteza y hojas) de un árbol de Eucalyptus globulus. Sobre todos los microorganismos aislados (bacterias y hongos) se realizó un cribado cualitativo de actividades xilanasa y celulasa. Luego de seleccionar los microorganismos que se mostraron positivos a estas actividades se llevó a cabo un análisis cuantitativo de las actividades xilanasa y celulasa producidas en los microorganismos aislados. De esta forma se seleccionaron los microorganismos que presentaron una mayor actividad enzimática. Estos microorganismos fueron identificados mediante observación macroscópica y microscópica y análisis moleculares. Posteriormente, se realizó un estudio de la variación de la producción de las actividades xilanasa y celulasa en cada microorganismo seleccionado a través del tiempo de incubación y utilizando diferentes medios de cultivo. Con los resultados obtenidos se profundizó en el estudio de la actividad xilanasa producida por una cepa de Bacillus, una de Pseudozyma y una de Penicillium. Para ello se realizó la purificación parcial de las enzimas a partir de los cultivos de los microorganismos. Las xilanasas parcialmente purificadas se caracterizaron en relación a su temperatura óptima, pH óptimo y en cuanto a los productos de hidrólisis del xilano de haya. Por último se analizó la hidrólisis de corteza deslignificada de Eucalyptus dunnii mediante las xilanasas parcialmente purificadas producidas por Bacillus sp. EBV 12-22 y Pseudozyma sp. EBV 97-87. El material vegetal resultante se estudió mediante microscopía electrónica de barrido. También se realizó el análisis químico del mismo y del sobrenadante con el fin de evaluar los productos de biotransformación obtenidos a partir de la hidrólisis enzimática y alcanzar de esta forma datos para una posible aplicación de las enzimas. A partir de los resultados obtenidos en este estudio se procedió a evaluar la aplicación de la enzima xilanasa producida por la levadura Pseudozyma sp. EBV 97-87. Para ello se realizó la hidrólisis enzimática de la corteza deslignificada y la xilosa obtenida como principal producto de hidrólisis se utilizó para la producción de xilitol mediante la fermentación por una levadura, Wickerhamomyces anomalus Z1. Por otro lado el material remanente de la hidrolisis con xilanasa se utilizó para la estudio de la producción de etanol B2G. Los resultados obtenidos en la presente tesis permiten contribuir al desarrollo de conocimiento, técnicas biotecnológicas y de análisis para ser aplicados sobre diferentes biomasas lignocelulósicas en búsqueda de su valorización mediante la obtención de productos de mayor valor agregado.