Producción de xilooligosacáridos y bioetanol a partir de paja de cebada mediante procesos enzimáticosEvaluación de su actividad prebiótica

Resumen

La biorrefinería es una instalación que integra los procesos necesarios para producir energía, materiales y productos químicos de manera similar a una refinería de petróleo convencional utilizando la biomasa como producto de partida. La biomasa, materia prima de estas plantas, es muy versátil ya que puede ser transformada en multitud de valiosos productos químicos y energía, generando la mínima cantidad de desechos y emisiones. Este concepto de aprovechamiento máximo de recursos naturales soporta el concepto de bioeconomía. La bioeconomía considera el aprovechamiento económico de las fuentes renovables, procesos industriales no tóxicos y productos basados en recursos naturales, lográndose una economía plenamente sostenible. Siguiendo esta filosofía, los residuos agrícolas están siendo investigados por su naturaleza lignocelulósica, su alta disponibilidad y su bajo coste como una materia prima ideal para biorrefinerías capaces de generar productos de alto valor añadido y energía en procesos económicamente sostenibles. En el territorio español, la cebada es un cereal muy abundante, además, su paja es un residuo barato y con un alto contenido en carbohidratos lo que le hace un candidato idóneo para ser utilizado como sustrato en biorrefinerías. Para su utilización, la paja de cebada debe de ser tratada para lograr mayor accesibilidad a los carbohidratos que contiene. El primer paso es alterar la estructura de la biomasa lignocelulósica mediante una etapa denominada pretratamiento. De los descritos en la bibliografía, la explosión por vapor utilizado en este trabajo ha demostrado ser un pretratamiento eficaz para dicha materia prima. El grupo de Biocarburantes del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), donde se ha realizado este trabajo, presenta una larga trayectoria en procesos de pretratamiento para biomasa. Tras el pretratamiento y mediante filtración a vacío se obtiene una fracción soluble compuesta fundamentalmente por la hemicelulosa solubilizada y un residuo sólido insoluble rico en celulosa y lignina. Esta Tesis Doctoral se centra en la obtención de productos de valor añadido a partir de las distintas fracciones descritas previamente. En este trabajo se realiza un estudio de caracterización y evaluación prebiótica de los xilooligosacáridos presentes en la fracción soluble de la hemicelulosa. Por otro, el residuo sólido insoluble será utilizado para la obtención de etanol. En los últimos años, el interés por la utilización de la hemicelulosa ha crecido debido a sus aplicaciones y propiedades inexploradas, iniciando la búsqueda de biocombustibles o la conversión a productos de alto valor añadido como son los xilooligosacáridos. Los xilooligosacáridos pertenecen a compuestos prebióticos emergentes, siendo estos, uno de los alimentos funcionales más prometedores. Un prebiótico se define como “aquel ingrediente alimentario no digerible que permite cambios específicos en la composición y/o actividad de la microbiota gastrointestinal y confiere beneficios para la salud del huésped”. Por otro lado, el bioetanol obtenido a partir de la celulosa contenida en el residuo sólido insoluble representa una de las pocas alternativas renovables para la sustitución a corto plazo de los combustibles fósiles en el sector del transporte ya que pueden integrarse en los sistemas de distribución de combustible actuales. El primer hito para la realización de este trabajo fue, el estudio de la efectividad del pretratamiento de explosión por vapor en diferentes condiciones utilizando la paja de la cebada como sustrato. El criterio de evaluación fue la recuperación de la hemicelulosa en la fracción soluble y la recuperación de celulosa en la fracción insoluble. Una vez seleccionada las condiciones de pretratamiento, el siguiente paso fue conseguir una buena despolimerización de la hemicelulosa presente en la fracción soluble. Debido a su alta complejidad, se requiere el uso de enzimas hidrolíticas. Así, la fracción soluble se sometió a una serie de ensayos de hidrólisis enzimática con diferentes enzimas comerciales tanto de manera individual como formando cocteles enzimáticos para lograr la mayor cantidad de xilooligosacáridos con bajo grado de polimerización (DP2-DP6). Finalmente, se llevó a cabo la purificación de los xilooligosacáridos por medio de dos estrategias cromatografía de exclusión molecular y ultrafiltración/nanofiltracion. Todos los xilooligosacáridos fueron caracterizados mediante MALDI-TOF (Espectrometría de masas con desorción/ionización mediante láser inducida por matriz acoplada a un analizador tiempo de vuelo) y FTIR (Espectroscopía de Infrarrojos de Transformada de Fourier) así como evaluados en su potencial aplicación como prebióticos mediante ensayos “in vitro”. Con respecto al residuo sólido insoluble, se estudiaron el efecto de diferentes dosis de la enzima hidrolítica comercial Cellic CTec2 (Novozymes, Bagsvaerd, Dinamarca) para poder obtener la mayor cantidad de glucosa en el proceso de hidrólisis enzimática para distintas cargas de sólido. La glucosa obtenida fue utilizada como material de partida para la obtención del bioetanol mediante fermentación, utilizando una levadura industrial convencional. Se estudiaron diferentes estrategias de proceso: hidrólisis y fermentación separadas (HFS) o prehidrólisis, sacarificación y fermentación simultáneas (PSFS).