Microalgae biomass valorization for volatile fatty acids, microbial oils and biogas production in a biorefinery context

• Autores: Mercedes Llamas Redondo
• Directores de la Tesis: María Elia Tomas Pejo (dir. tes.), María Cristina González Fernández (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Valorización de microalgas para la producción de ácidos grasos volátiles, aceites microbianos y biogás, en un contexto de biorrefinería
• Tribunal Calificador de la Tesis: María Ángeles Blanco Suárez (presid.), Ana Balea Martin (secret.), María José Negro Alvarez (voc.), Julie Jimenez (voc.), Fernando González Fermoso (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología bioquímica
      • Microbiología industrial
    • Planificación urbana
      • Códigos de edificación
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen

  • Bajo el concepto innovador de biorrefinería, a partir de microalgas pueden obtenerse bioproductos de alto valor añadido y posteriormente, otros de menor valor a partir de los subproductos generados.

    Los ácidos grasos volátiles (AGV) son considerados moléculas con multitud de aplicaciones industriales. Estos pueden producirse mediante fermentación anaerobia (FA). El efluente de la FA puede ser usado con una doble finalidad: la fracción líquida, rica en AGV, se presenta como fuente de carbono de bajo coste para la producción de aceites microbianos (AM) mediante fermentación con levaduras oleaginosas (LO). Por otro lado, el residuo sólido puede ser aprovechado como sustrato de la DA generando biogás.

    El objetivo principal de esta Tesis fue evaluar los parámetros que permiten optimizar la generación de múltiples productos (AGV, AM y biogás) a partir de microalgas integrando tres bioprocesos (FA, fermentación oleaginosa y DA).

    En una primera parte de esta Tesis, se abordaron algunos de los retos que dificultan la producción eficiente de AGV a partir de microalgas. Se evaluaron tres pretratamientos en Chlorella vulgaris previos a la FA: uno térmico y dos enzimáticos (proteasa y carbohidrasa). El tratamiento proteolítico resultó ser el más eficiente en términos de solubilización y de bioconversión a AGV (33.4 % AGV-DQO/tDQO), destacando el papel fundamental de las proteínas durante la FA de microalgas Los parámetros operacionales de la FA fueron ajustados para evitar la competencia por AGV de las arqueas durante la producción de metano. Durante la evaluación de la temperatura se obtuvo una mayor bioconversión a AGV durante la FA a 25 ¿C (34.2 % AGV-DQO/tDQO) que a 55 ¿C (14.1 % AGV-DQO/tDQO). Por otro lado, se evaluó el efecto del tiempo hidráulico de retención (THR) en la producción de AGV. La reducción progresiva del THR propició la adaptación de la población microbiana a las condiciones operacionales permitiendo disminuir el THR hasta valores inferiores a los que se puede trabajar cuando un TRH bajo es inicialmente aplicado (THR 4 días vs 6 días, respectivamente), sin comprometer la bioconversión a AGV.

    Para evitar la extracción y purificación de AGVs, el uso de digestatos ricos en AGV como fuente de carbono para producir AM mediante LO se presenta como una alternativa prometedora. Se prevé que estos AM tengan un gran impacto en el sector de la oleoquímica en un futuro próximo.

    Se evaluaron diversos medios sintéticos (AGV individuales y mezclas) y digestato real como medio de cultivo para levaduras. Yarrowia lipolytica demostró ser capaz de crecer usando AGV como única fuente de carbono. Los AGV de cadena larga resultaron tener un efecto inhibitorio en la LO superior a los AGV de cadena corta. Además, el consumo de AGV por parte de Y. lipoytica se realizó de un modo secuencial, mostrando preferencia por el ácido acético. Cuando digestato real fue empleado como medio de cultivo, se obtuvo una producción de biomasa 2,4 veces superior a la alcanzada empleando un medio sintético con similar concentración y perfil de AGV. Además, el uso de digestato real como medio de cultivo, disminuyó el efecto inhibitorio provocado por concentraciones superiores a 10 g AGV/L en Y. lipolytica.

    Posteriormente, se realizó un cribado de cinco LO a tres concentraciones de AGV (5, 10 y 15 g/L) con el objetivo de encontrar las cepas más eficientes en producción de AM a partir de digestatos ricos en AGV. Los mejores resultados en términos de crecimiento fueron obtenidos por Cryptococcus curvatus, Lipomyces lipofer y Y. lipolytica (0,3 g biomasa/g AGV). Williopsis saturnus y C. curvatus mostraron una acumulación de lípidos de 36,9 % p/p y 33,9 % p/p, respectivamente, resultando en los mayores rendimientos de lípidos (0,11-0,13 g/g).