Developing microbiological and operational strategies towards the scale-up of biosurfactant production in solid-state fermentation

Aquesta tesi doctoral, desenvolupada entre setembre de 2022 i novembre de 2025 al Departament d’Enginyeria Química, Biològica i Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), dins del Grup de Recerca en Compostatge (GICOM), s’emmarca en dos projectes finançats pel Ministeri de Ciència i Innovació: Surfing Waste i SOLSTICE. Surfing Waste (2021–2024) se centra en la producció de biosurfactants glicolípids a partir de residus orgànics com a alternativa sostenible als tensioactius químics convencionals. SOLSTICE (2024–2027) té com a objectiu escalar la fermentació en estat sòlid (SSF) per produir biosurfactants, biopesticides i bioestimulants, facilitant-ne l’aplicació industrial i la integració en processos de valorització de residus agrícoles. En aquest context, la tesi proposa estratègies per superar les limitacions de l’escalat de la SSF en reactors de llit empacat, utilitzant residus agrícoles com a matèria primera. El treball combina enfocaments operatius i microbiològics i es divideix en tres línies principals. La primera estratègia consisteix a ampliar la varietat de biosurfactants produïbles mitjançant SSF emprant microorganismes habituals en fermentació submergida (SmF). Es va utilitzar palla com a suport sòlid i un residu de la hivernació d’oli de gira-sol (WOC) com a font de carboni. Les levadures Ustilago maydis i Moesziomyces bullatus es van inocular per produir mannosileritritol lípids (MELs). El procés es va monitoritzar en reactors de 0,5 L i es van identificar els congèners específics generats per cada soca. La segona estratègia aborda les limitacions de transferència de massa incorporant una fase líquida percolada des de la part superior del reactor per subministrar glucosa de forma controlada. Es va dissenyar i construir un reactor de llit percolat, millorant la distribució de nutrients i la humitat del sistema. El procés es va optimitzar per convertir la SSF en Solid Substrate Fermentation (SSuF) amb Starmerella bombicola, ajustant concentració de glucosa, temps d’operació i freqüència de bombament. Aquesta aproximació va millorar la viabilitat cel·lular i els rendiments de soforolípids respecte al control sense percolació. A més, el líquid percolat va permetre monitoritzar en temps real el consum de glucosa. La tercera estratègia se centra en reduir els gradients de temperatura habituals en els llits sòlids deguts al metabolisme microbiano. Es van avaluar diverses soques termòfiles i termotolerants aïllades prèviament de compost pel GICOM. La soca de Bacillus subtilis amb millor comportament es va seleccionar per optimitzar la producció de biosurfactants lipopeptídics utilitzant WOC i melassa de canya. El procés es va estudiar entre 30 i 60 °C i posteriorment es va escalar en un reactor pilot de 50 L. Tot i que la producció va disminuir lleugerament en escalar, es va mantenir en el mateix ordre de magnitud i es va identificar la humitat com un factor limitant clau. A més, en col·laboració amb la Universitat Federal de Rio de Janeiro, la soca termòfila es va provar en SmF amb diferents substrats i es va escalar a un reactor de 14 L utilitzant destil·lat d’oli de blat de moro, residu de la producció de bioetanol. Es van identificar els congèners obtinguts en ambdues tecnologies i es van fer assajos preliminars de bioremediació d’olis en aigua. Els resultats van mostrar la complementarietat entre SSF i SmF en la valorització de residus. En conjunt, la tesi presenta estratègies prometedores per facilitar l’escalat de la SSF i apropar aquesta tecnologia a un nivell de maduresa comparable al compostatge o la digestió anaeròbia, posicionant-la com una alternativa sostenible per a la valorització de residus i la producció de bioproductes d’alt valor en una bioeconomia circular.