Producción de biobutanol a partir de suero de quesería usando una cepa mutante de Clostridium acetobutylicum

Abstract

RESÚMEN El butanol es considerado un combustible líquido con potencial para remplazar a la gasolina en los motores de combustión interna. Es producido mediante la fermentación acetona-butanol-etanol (ABE) empleando diversos clostridios solventogénicos. El desempeño del proceso fermentativo ABE está seriamente limitado por: altos costos de sustrato, inhibición por sustrato y baja tolerancia a solventes (máximo 20 g/L), crecimiento lento y baja densidad celular viable durante la fase solventogénica; éstas limitaciones resultan en baja concentración de productos, baja productividad, bajo rendimiento, alto costo de recuperación y dificultad en el control del metabolismo del cultivo. Con la finalidad de reducir los costos por sustrato y aprovechar un desecho de la industria láctea el presente trabajo propone el uso del suero de quesería como sustrato fermentable; adicionalmente, con la finalidad de disminuir las limitaciones por baja tolerancia a solventes se propuso la generación de cepas mutantes resistentes a concentraciones de butanol superiores a las soportadas por las cepas silvestres empleadas (C. acetobutylicum ATCC 824 y CDBB-B-797). Tras el desarrollo experimental se determinó que el suero de quesería es un sustrato adecuado para la fermentación ABE, siempre y cuando este apropiadamente suplementado. La adición de una fuente de hierro es estrictamente necesaria para que el suero de queso pueda ser un sustrato viable debido a que la falta de hierro impide la síntesis de ferredoxina y restringe la actividad de la ferredoxina-piruvato oxidorreductasa, lo que conduce a la producción de ácido láctico en lugar de los productos deseados ABE. Se determinó que el FeSO4 (20 mgFe/L) es la fuente de hierro idónea para mejorar la producción de butanol al emplear el suero como sustrato. Por otra parte, se lograron generar cepas mutantes resistentes a la presencia de hasta 24.3 g/L de butanol en el medio de cultivo, es decir 25% superior a la soportada por ATCC 824 y 50% superior a la soportada por CDBB-B-797. La mutante generada a partir de ATCC 824 logró producir una mayor cantidad de solventes totales que la cepa original de donde fue derivada, sin embargo, no se observó una mejora estadísticamente significativa en la producción de butanol. Este trabajo aporta valiosa información sobre cómo hacer del suero de leche un buen sustrato para la fermentación ABE resaltando que se favorece el incremento en la producción de butanol y la productividad. La máxima concentración de butanol que logró obtenerse fue de 7.13 ± 1.53 g/L, obtenida al efectuar fermentaciones por lote empleando suero de leche como sustrato y la cepa silvestre ATCC 824.

ABSTRACT Butanol is considered a superior liquid fuel that can replace gasoline in internal combustion engines. It is produced by acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation using various species of solventogenic clostridia. Performance of ABE fermentation process is severely limited mostly by: high cost of substrate, substrate inhibition and low solvent tolerance (max 20 g/L), low growth and low cell density during solventogenic phase; leading to low product concentrations, low productivity, low yield, high product recovery costs and difficulty in controlling culture metabolism. In order to decrease the cost per substrate and exploit a waste generated by dairy industry, this study proposes using cheese whey as substrate for fermentation; additionally, in order to reduce low solvents tolerance limitations mutant strains generation, resistant to higher butanol concentrations than those supported by wild strains used (C. acetobutylicum ATCC 824 and CDBB-B-797) was proposed. After experimental work it was determined that the cheese whey is a suitable substrate for ABE fermentation, provided that this appropriately supplemented. The addition of an iron source was strictly necessary for the cheese whey to be a viable substrate because lack of iron in the cheese whey impedes ferredoxin synthesis and therefore, restricts pyruvate-ferredoxin oxidoreductase activity leading to the production of lactic acid instead of acetone, butanol and ethanol. FeSO4 (20 mgFe/L) was determined as the ideal iron source for butanol production improvement while whey is used as substrate. Moreover, mutant strains derived from C. acetobutylicum ATCC 824 and CDBB-B-797 resist the presence of up to 24.3 g/L butanol in culture medium, concentration 25% higher than that supported by wild type ATCC 824 and 50% higher than that supported by CDBB-B-797. Mutant generated from ATCC 824 was able to produce a greater amount of total solvents than the parental strain from which it was derived; however, statistically significant improvement was not observed for butanol production. This work provides valuable information on how to make whey a good substrate for ABE fermentation noting that the increase in the production of butanol and productivity is enhanced. Maximum butanol concentration achieved was 7.13 ± 1.53 g/L, which was obtained performing batch fermentations using whey as a substrate and the wild strain ATCC 824.