Biorefinery of agricultural wastes for obtaining enzymes, phenolic compounds and biogas

Resumen

El principal desafío al que se enfrenta la sociedad actual se centra en el logro de un desarrollo sostenible, objetivo que se ha convertido en prioridad dentro de la agenda política internacional. Con esta meta en perspectiva, se refuerza la tendencia hacia la implementación del modelo de economía circular que tiene por objeto la utilización eficaz de los flujos de materia, energía y residuos para alcanzar el equilibrio entre economía, medio ambiente y sociedad. En este sentido, la valorización de los residuos agrícolas ofrece una alternativa propicia para reemplazar parcialmente el consumo de materias primas vírgenes, puesto que busca cambiar su concepción de residuos a recursos renovables, optimizar el uso de estos desechos y extender su vida útil. Asimismo, la conversión de los residuos agrícolas en productos con valor añadido, además de generar ingresos y empleo, se concibe como una solución para mitigar los problemas relacionados con la generación de residuos y la contaminación ambiental. No obstante, la degradación de los residuos agrícolas de naturaleza lignocelulósica es compleja debido a las características de estos materiales (estructura intrincada, recalcitrante y diversidad química) proporcionadas por las fibras de lignocelulosa (hemicelulosa, celulosa y lignina) que ayudan a la planta a resistir a las agresiones bióticas y abióticas en la naturaleza. Existe una amplia gama de tecnologías capaz de fraccionar los residuos lignocelulósicos en sus constituyentes (hidratos de carbono, lignina, fenoles, proteínas, etc.) y facilitar así su posterior conversión. Si bien, y con el fin de garantizar la sostenibilidad y de minimizar la huella ambiental de los productos obtenidos, estos procesos deben estar sujetos a la utilización de tecnologías limpias e inocuas para el medio ambiente como las basadas en la química verde y la biotecnología blanca que sustituyan el uso de ciertos reactivos, disolventes y catalizadores químicos tóxicos y/o peligrosos. En este escenario, la aplicación de enzimas emulando a aquellos procesos que se desarrollan en la naturaleza, es una de las técnicas más significativas y prometedoras en el área de la biotecnología blanca y está reemplazando gradualmente a los procesos químicos en muchas áreas de la industria. Los procesos enzimáticos presentan una serie de ventajas en comparación con los procesos químicos, destacando fundamentalmente la alta selectividad de estos biocatalizadores, la alta pureza de los productos logrados y la eficiencia de las enzimas. Además, mientras que los procesos químicos convencionales generalmente requieren altas presiones y altas temperaturas, los microorganismos y sus enzimas operan en condiciones de reacción (temperatura, presión y pH) moderadas, próximas a las ambientales, lo que resulta en un consumo de energía reducido. Consecuentemente y puesto que su uso comporta una oportunidad medioambientalmente sostenible, en el presente trabajo de tesis doctoral se ha basado en la utilización de procesos englobados en la biotecnología blanca para convertir los residuos agrícolas en una amplia variedad de productos. Así, inicialmente los dos residuos agrícolas estudiados (carozo de maíz y sarmiento de vid) se emplearon como sustratos para la producción mediante fermentación en estado sólido de enzimas fúngicas, principalmente feruloil esterasas y xilanasas. A continuación, dichos extractos enzimáticos fueron evaluados mediante su aplicación sobre ambos residuos, lográndose durante la hidrólisis la liberación de varios tipos de compuestos constituyentes de la matriz lignocelulósica del residuo y con interés comercial (compuestos fenólicos e hidratos de carbono con extremos reductores). Al tiempo que se solubilizaron estos compuestos con valor añadido, la hidrólisis enzimática de los residuos agrícolas involucró su acondicionamiento para la posterior valorización energética del sólido remanente, suponiendo un pretratamiento favorable. De este modo, se posibilita el uso consecutivo de un mismo residuo agrícola para la producción de enzimas, compuestos fenólicos y bioenergía.