Diseño de un biorreactor para la producción de polihidroxialcanoatos (PHA) con cultivos mixtos a partir de efluentes acidogénicos del alga invasora (Rugulopteryx okamurae)

Abstract

La contaminación por plásticos ha emergido como una preocupación ambiental global, no únicamente con implicaciones negativas para el ecosistema, sino también para la salud humana. La producción global de polímeros ha aumentado continuamente en los últimos 50 años, alcanzando las 299.000 toneladas en 2013 o lo equivalente al peso de 45 pirámides de Guiza (Dietrich et al., 2017). Siendo la mayoría plásticos de un solo uso y debido a su lenta o nula descomposición, la capacidad de su gestión como residuos se ha visto superada y se alcancen hoy grandes acumulaciones de plástico en suelo y masas de agua, que llegan a introducirse en la cadena alimentaria en forma de microplásticos. Además, tanto la producción de plásticos a partir de combustibles fósiles como la degradación de estos materiales por incineración provocan la liberación de gases de efecto invernadero, con el consecuente impacto en el calentamiento global. En este contexto, la producción de polihidroxialcanoatos (PHA) supone una alternativa excelente y deseable, pues son elaborados a partir de partir de biomasa mediante la fermentación bacteriana de azúcares o lípidos y, químicamente, son poliésteres lineales con propiedades muy similares a los plásticos convencionales, pero con el atractivo de que ser biodegradables, biocompatibles y biobasados. Las algas marinas, también conocidas como macroalgas, han demostrado un potencial sin precedentes que podría desplazar las fuentes habituales de biomasa terrestre como materia prima para la obtención de productos de alto valor añadido a partir de procesos biotecnológicos (Balina et al., 2017). De hecho, las algas no requieren de la ocupación o riego de las zonas terrestres y, por tanto, tampoco compiten con los cultivos principales destinados para la alimentación como el maíz o el trigo. (Jung et al., 2013). Rugulopteryx okamurae, es una especie de alga parda perteneciente a la familia Dictyoaceae. Este alga invasora originaria del pacífico, se asienta en otros ecosistemas marinos, compite con las especies nativas y afectando negativamente a la biodiversidad local gracias a su capacidad citotóxica. Factores como el aumento de la temperatura de los océanos provocan que la expansión de este alga sea aún mayor, llegando a invadir entornos naturales como nuestras propias aguas del Golfo de Cádiz o el estrecho de Gibraltar en tiempo récord (GarcíaGómez et al., 2020). Sin embargo, con un pretratamiento inicial adecuado, las grandes masas de alga invasora podrían ser utilizadas como fuente de carbono para distintos procesos de biorrefinería, como ya se ha descrito en investigaciones del grupo (Agabo et al., 2023). Con la finalidad de evaluar la factibilidad y viabilidad científico-técnica de la propuesta de proceso, el objetivo de este trabajo es realizar el diseño de un biorreactor para la producción de PHA con cultivos bacterianos mixtos a partir de efluentes acidogénicos procedentes de la fermentación oscura de biomasa del alga invasora. Así, este trabajo se incluiría en el proyecto “Mejora de la producción de precursores de bioplásticos (PHAs) mediante fermentación oscura e hidrólisis enzimática a partir de arribazones de algas invasoras (IMPROWEED)” presentado a la convocatoria europea de 2021 para “Proyectos de Transición Ecológica y Transición Digital”. Atendiendo a sus implicaciones medioambientales, la aplicación del proceso descrito cumpliría con todos los objetivos medioambientales incluidos en el Reglamento Europeo 2020/852, pues la revalorización de R. okamurae implica un uso sostenible de los recursos hídricos y marinos. Por otra parte, su utilización en la producción de biopolímeros favorece la prevención y control de la contaminación, evitando su acumulación en suelos, además de los efectos contaminantes ya descritos referidos a la producción y acumulación de plásticos. Finalmente, dado que en el proceso de Fermentación Oscura se produce biohidrógeno, se puede afirmar que el proceso propuesto plantea avances en cuanto a la mitigación y adaptación al cambio climático, debido a las posibilidades de este compuesto como biocombustible. Se debe considerar que, frente a un cultivo bacteriano puro, el trabajo con un cultivo mixto implica mayor atención en el análisis y comportamiento de la microbiota en el reactor, lo que supone un reto adicional en cuanto a la estabilidad y reproducibilidad del proceso, pero con mejoras sustanciales en términos de costes de producción. Del contenido desarrollado en el presente TFG se extraerían tres conclusiones principales: • El pretratamiento biológico del alga con Aspergillus awamori supone una mejora en la producción de PHA con cultivo mixto. • Se ha elaborado un modelo cinético que describe el proceso de producción de PHA con cultivo mixto a partir de los efluentes acidogénicos del alga invasora. • Se ha llevado a cabo el diseño de un biorreactor Fed-Batch y su instrumentación accesoria, para obtener una producción mensual de hasta 8 toneladas de PHA a partir de un caudal másico inicial de 80 toneladas de algas húmedas al mes.