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Clostridium fermentation platforms for the production of second-generation bioalcohols from rice straw

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23 - Química
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Clostridium fermentation platforms for the production of second-generation bioalcohols from rice straw

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dc.contributor.advisor	Gabaldón García, Carmen
dc.contributor.advisor	San Valero Torner, Pau
dc.contributor.author	Capilla Lloris, Miguel
dc.contributor.other	Departament d'Enginyeria Química	es_ES
dc.date.accessioned	2023-11-03T08:21:07Z
dc.date.available	2023-11-04T05:45:08Z
dc.date.issued	2023	es_ES
dc.date.submitted	03-11-2023	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/90947
dc.description.abstract	El cambio climático constituye una gran amenaza que está obligando a los gobiernos a fomentar políticas activas para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero. La Unión Europea ha promulgado el “Pacto Verde Europeo” que pretende alcanzar cero emisiones netas en 2050. En este contexto, el desarrollo de biorefinerías para producir bioalcoholes por vía fermentativa utilizando como materia prima residuos lignocelulósicos contribuiría a alcanzar el objetivo de la neutralidad climática. Entre las rutas que destacan se encuentran la fermentación acetona-butanol-etanol (ABE) o la fermentación hexanol-butanol-etanol (HBE) ambas llevadas a cabo por bacterias del género Clostridium. El objetivo general de la presente tesis doctoral es la producción de biobutanol y biohexanol mediante fermentación utilizando bacterias del género Clostridium con el propósito de investigar nuevas vías de aprovechamiento de los residuos lignocelulósicos. En concreto, se ha seleccionado la paja de arroz debido a su disponibilidad y abundancia en el Parque Natural de l’Albufera (Valencia, España), uno de los mayores humedales de la cuenca mediterránea donde se cultiva un 18% de la producción española de arroz. La mayor parte de esta tesis doctoral se centró en la producción de butanol via fermentación ABE a partir de paja de arroz utilizando Clostridium acetobutylicum. En el primer trabajo presentado en esta tesis doctoral se evaluó el efecto combinado de la concentración inicial de glucosa y la estrategia de regulación de pH en fermentaciones en discontinuo. En esta etapa se compararon dos estrategias de regulación de pH consistentes en la formulación del medio de cultivo con carbonato de calcio como agente tamponante y una estrategia de control digital consistente en impedir que el pH disminuyera por debajo de un valor de consigna. Con este estudio se demostró la importancia de regular el pH ad hoc en función de la concentración inicial de azúcar. En concreto, la utilización de la estrategia de control de pH mínimo para concentraciones iniciales de glucosa ≥66 g L-1 permitió evitar el fenómeno de choque ácido obteniéndose una concentración de butanol de ~11 g L-1. En el siguiente estudio se amplió la evaluación de las estrategias de regulación de pH desarrolladas anteriormente a xilosa y mezclas de glucosa y xilosa. Los resultados demostraron que C. acetobutylicum se comporta de forma diferente cuando se utiliza xilosa pura como fuente de carbono. En este caso, la producción de biobutanol se vio favorecida al no limitarse el pH mínimo de la fermentación dando lugar a concentraciones de butanol de ~8 g L-1, límite de inhibición al emplear este monosacárido. Para el caso de mezclas de glucosa y xilosa en proporciones similares a las obtenidas en los hidrolizados de paja de arroz se demostró que la estrategia más eficaz en términos de producción de butanol y consumo de xilosa es la formulación de medio con acetato amónico y un control de pH mínimo a 4.8. En la siguiente etapa, se desarrolló una prueba de concepto de un reactor en continuo de tanque agitado con un sistema de retención de biomasa utilizando anillos plásticos con el objetivo de incrementar la productividad de butanol. Para la mezcla de glucosa y xilosa y operando el reactor a una velocidad de dilución de 0.333 h-1 se cuadruplicaron las productividades de butanol y disolventes ABE (butanol: 2.4 g L-1 h-1 y disolventes ABE: 3.7 g L-1 h-1) al compararlas con los mejores resultados de los experimentos en condiciones similares en discontinuo (butanol: 0.6 g L-1 h-1 y disolventes ABE: 0.9 g L-1 h-1). En el siguiente trabajo de esta tesis doctoral se validó el modelo de fermentación en discontinuo usando hidrolizado de paja de arroz. Este hidrolizado se obtuvo a partir de paja de arroz pretratada alcalinamente. En estos ensayos se logró una producción de butanol (disolventes ABE) de 6.5 (9.5) g L-1, consiguiendo resultados similares a los a los obtenidos con sustrato modelo. A continuación, se evaluó el empleo de una estrategia de co-cultivo de C. acetobutylicum y Saccharomyces cerevisiae, obteniéndose un incremento en la producción de disolventes ABE hasta 13.1 g L-1 asociado mayoritariamente a la producción de etanol. Además, se obtuvo un aprovechamiento de xilosa del 94%, el mayor observado en esta tesis doctoral. Finalmente, se realizó una estancia internacional de tres meses en la Università degli Studi di Napoli Federico II (Italia) donde se estudió la producción de bioalcoholes en continuo vía fermentación HBE a partir de corrientes gaseosas de monóxido de carbono, principal componente del gas de síntesis. En estos experimentos se desarrolló un reactor en continuo de tanque agitado en el que se evaluó la influencia del pH empleando Clostridium carboxidivorans. En estos experimentos se obtuvo un incremento de la productividad de hexanol de 1.8 al utilizar un valor de pH 5.6 respecto a un valor de pH 5.4. Además, la utilización de un valor de pH 5.6 resultó en productividades estables de hexanol entre 100 a 140 mg L-1 dia-1 en el rango de 0.034 a 0.083 h-1. Estas productividades se encuentran entre los valores más elevados de la bibliografía.	es_ES
dc.format.extent	257 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	bioalcoholes	es_ES
dc.subject	paja de arroz	es_ES
dc.subject	biobutanol	es_ES
dc.subject	clostridium	es_ES
dc.subject	residuos lignocelulósicos	es_ES
dc.subject	biorefinería	es_ES
dc.title	Clostridium fermentation platforms for the production of second-generation bioalcohols from rice straw	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::CIENCIAS TECNOLÓGICAS	es_ES
dc.description.abstractenglish	Climate change is a major threat that is forcing governments to promote active policies to reduce greenhouse gas emissions. The European Union has enacted the "European Green Deal" which aims to achieve net zero emissions by 2050. In this context, the development of biorefineries to produce bioalcohols by fermentation using lignocellulosic waste as feedstock would contribute to achieve the goal of climate neutrality. Among the routes that stand out are acetone-butanol-ethanol (ABE) or hexanol-butanol-ethanol (HBE) fermentation, both carried out by bacteria of the genus Clostridium. The general objective of this doctoral thesis is the production of biobutanol and biohexanol by fermentation using bacteria of the genus Clostridium with the aim of investigating new ways of exploiting the lignocellulosic waste. Specifically, rice straw has been selected due to its availability and abundance in l'Albufera Natural Park (Valencia, Spain), one of the largest wetlands in the Mediterranean basin where 18% of Spanish rice production is harvested. The main part of this doctoral thesis focused on the production of butanol via ABE fermentation from rice straw using Clostridium acetobutylicum. The first work presented in this doctoral thesis evaluated the combined effect of the initial glucose concentration and the pH regulation strategy in batch fermentations. In this stage, two pH regulation strategies were compared, consisting of the formulation of the culture media with calcium carbonate as a buffering agent and a digital control strategy consisting of preventing the pH from decreasing below a set-point value. This study demonstrated the importance of ad hoc pH regulation depending on the initial sugar concentration. In particular, the use of the minimum pH control strategy for initial glucose concentrations ≥66 g L-1 allowed to avoid the acid crash phenomenon obtaining a butanol concentration of ~11 g L-1. In the following study, the evaluation of the previously developed pH regulation strategies was extended to xylose and glucose and xylose mixtures. The results showed that C. acetobutylicum behaves differently when pure xylose is used as a carbon source. In this case, biobutanol production was enhanced by not limiting the minimum pH of the fermentation, leading to butanol concentrations of ~8 g L-1, which is the inhibition limit at the use of this monosaccharide. In the case of glucose and xylose mixtures in similar proportions to those obtained in rice hydrolysates, it was demonstrated that the most efficient strategy in terms of butanol production and xylose consumption is the media formulation with ammonium acetate and a minimum pH control at 4.8. In the next stage, a proof of concept of a continuous stirred tank reactor with a biomass retention system using plastic rings was developed in order to increase butanol productivity. For the mixture of glucose and xylose and operating the reactor at a dilution rate of 0.333 h-1 the productivities of butanol and ABE solvents (butanol: 2.4 g L-1 h-1 and ABE solvents: 3.7 g L-1 h-1) were quadrupled when compared to the best results of experiments under similar batch conditions (butanol: 0.6 g L-1 h-1 and ABE solvents: 0.9 g L-1 h-1). In the following work of this doctoral thesis, the batch fermentation model was validated using rice straw hydrolysate. This hydrolysate was obtained from alkaline pretreated rice straw. In these assays, a butanol production (ABE solvents) of 6.5 (9.5) g L-1 was reached, achieving similar results to those obtained with the model substrate. Next, the use of a co-culture strategy of C. acetobutylicum and Saccharomyces cerevisiae was evaluated, obtaining an increase in the ABE solvent production up to 13.1 g L-1 associated mainly with the ethanol production. In addition, a xylose exploitation of 94% was obtained, the highest observed in this doctoral thesis. Finally, a three-month international stay was carried out at the Università degli Studi di Napoli Federico II (Italy) where the continuous production of bioalcohols via HBE fermentation from carbon monoxide gas streams, the main component of synthesis gas, was studied. In these experiments, a continuous stirred tank reactor was developed in which the influence of pH was evaluated using Clostridium carboxidivorans. In these experiments, an increase in hexanol productivity of 1.8 was obtained when using a pH value of 5.6 compared to a pH value of 5.4. Furthermore, the use of a pH value of 5.6 resulted in stable hexanol productivities between 100 to 140 mg L-1 day-1 in the range of 0.034 to 0.083 h-1. These productivities are among the highest values in the literature.	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES
dc.rights.accessRights	open access	es_ES