Purification and characterization of sophorolipids produced through the solid-state fermentation of organic waste. Application to anaerobic digestion of biowaste.

Abstract

Aquesta tesi és el resultat del treball realitzat al Departament d'Enginyeria Química, Biològica i Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), dins del Grup de Recerca en Compostatge (GICOM, https://webs.uab.cat/gicom). Aquesta tesi forma part dels projectes Surfing Waste (PID2020-114087RB-I00) i SOLSTICE (PID2023-146978OB-100). Els Capítols 4 i 5 d'aquesta tesi se centren en la purificació de soforolípids i els efectes de diferents nivells de dosi i puresa, així com els efectes de diferents biosurfactants, en la digestió anaeròbia i la biodegradabilitat anaeròbia. Es van fer esforços especials per estandarditzar i simplificar els mètodes de purificació i analítics per a aquests compostos. Aquests capítols destaquen l'anàlisi en profunditat de les poblacions microbianes i la seva evolució en presència de biosurfactants per ajudar a desvelar les seves complexes interaccions i efectes. El Capítol 6 es va completar durant una estada al Centro de Investigaciones Alimentarias (CIAL-CSIC), que forma part del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Aquest capítol va provar mètodes d'extracció alternatius, com l'extracció amb líquid pressuritzat, l'extracció assistida per ultrasons i l'extracció amb CO₂ supercrític, per a l'extracció de soforolípids de la fermentació en estat sòlid. A més, es van avaluar els efectes de dos dissolvents en els rendiments d'extracció i l'especificitat dels compostos. Aquest és un enfocament nou per a la fermentació en estat sòlid, en la qual habitualment només s'explora el procés de fermentació. Finalment, el Capítol 7 discuteix breument la integració dels resultats del capítol anterior en un concepte de biorrefineria.

Esta tesis fue realizada en el Departamento de Ingeniería Química, Biológica y Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), dentro del Grupo de Investigación en Compostaje (GICOM, https://webs.uab.cat/gicom). Esta tesis forma parte de los proyectos Surfing Waste (PID2020-114087RB-I00) y SOLSTICE (PID2023-146978OB-100). Los Capítulos 4 y 5 de esta tesis se centran en la purificación de soforolípidos, los efectos de diferentes niveles de dosis y pureza, así como de distintos biosurfactantes, en la digestión anaerobia y su biodegradabilidad anaerobia. Se realizaron esfuerzos especiales para estandarizar y simplificar los métodos de purificación y análisis para estos compuestos. Estos capítulos destacan el análisis en profundidad de las poblaciones microbianas y su evolución en presencia de biosurfactantes para ayudar a desvelar sus efectos. El Capítulo 6 se completó durante una estancia en el Centro de Investigaciones Alimentarias (CIAL), que forma parte del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Este capítulo probó métodos de extracción alternativos, como la extracción con líquido presurizado, la extracción asistida por ultrasonidos y la extracción con CO₂ supercrítico, para la extracción de soforolípidos de la fermentación en estado sólido. Además, se evaluaron los efectos de dos disolventes en los rendimientos de extracción y la especificidad de los compuestos. Este es un enfoque novedoso para la fermentación en estado sólido, en la que habitualmente solo se explora el proceso de fermentación. Finalmente, el Capítulo 7 discute brevemente la integración de los resultados del capítulo anterior en un concepto de biorrefinería.

This thesis is the result of work conducted out in the Department of Chemical, Biological, and Environmental Engineering at the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), within the Composting Research Group (GICOM, https://webs.uab.cat/gicom). This thesis is part of the Surfing Waste (PID2020-114087RB-I00) and SOLSTICE (PID2023-146978OB-100) projects. Chapters 4 and 5 of this thesis focus on the purification of sophorolipids and the effects of different levels of dose and purity, as well as the effects of distinct biosurfactants, on anaerobic digestion and anaerobic biodegradability. Special efforts were made to standardize and simplify the purification and analytical methods for these compounds. These chapters highlight an in-depth analysis of microbial populations and their evolution in the presence of biosurfactants to help unveil their complex interactions and effects. Chapter 6 was completed during an internship at the Centro de Investigaciones Alimentarias (CIAL-CSIC), which is part of the Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). This chapter tested alternative extraction methods, such as pressurized liquid extraction, ultrasound-assisted extraction, and supercritical CO₂ extraction, for sophorolipid extraction from solid-state fermentation. Additionally, the effects of two solvents on extraction yields and compound specificity were evaluated. This is a novel approach to solid-state fermentation, in which only the fermentation process is usually explored. Finally, Chapter 7 briefly discusses integrating the results of the previous chapter into a biorefinery concept.