| Data: |
2026 |
| Resum: |
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. |
| Resum: |
Esta tesis doctoral, desarrollada entre septiembre de 2022 y noviembre de 2025 en el Departamento de Ingeniería Química, Biológica y Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), dentro del Grupo de Investigación en Compostaje (GICOM), se enmarca en los proyectos Surfing Waste y SOLSTICE, financiados por el Ministerio de Ciencia e Innovación. El proyecto Surfing Waste (2021-2024) se centra en la producción de biosurfactantes glicolípidos a partir de residuos orgánicos como alternativa sostenible a los tensioactivos químicos convencionales. Por su parte, SOLSTICE (2024-2027) busca el escalado de la fermentación en estado sólido (SSF) para obtener biosurfactantes, biopesticidas y bioestimulantes, promoviendo su aplicación industrial y su integración en procesos de valorización de residuos agrícolas. En este contexto, la presente tesis propone diversas estrategias para superar las limitaciones asociadas al escalado de SSF en reactores de lecho empacado, con el objetivo de producir biosurfactantes a partir de residuos agrícolas. El trabajo combina enfoques operativos y microbiológicos y se articula en tres estrategias principales. La primera estrategia se orienta a ampliar el abanico de biosurfactantes que pueden producirse mediante SSF utilizando microorganismos habitualmente empleados en fermentación sumergida (SmF). Para ello, se empleó paja como soporte sólido y un residuo de la invernalización del aceite de girasol (WOC) como fuente de carbono. Se inocularon las levaduras Ustilago maydis y Moesziomyces bullatus con el fin de producir mannosileritritol lípidos (MELs). El proceso se monitorizó temporalmente en reactores de 0,5 L, identificando los congéneres específicos de MEL generados por cada cepa. La segunda estrategia aborda las limitaciones de transferencia de masa propias de SSF mediante la incorporación de una fase líquida percolada desde la parte superior del reactor para suministrar glucosa de forma controlada. Para ello se diseñó y construyó un reactor de lecho percolado (trickle-bed reactor), lo que permitió mejorar la distribución de nutrientes y la humedad del sistema. El proceso se optimizó posteriormente para convertir SSF en Solid Substrate Fermentation (SSuF) con Starmerella bombicola, ajustando la concentración de glucosa, el tiempo de operación y la frecuencia de bombeo. Esta aproximación mejoró la viabilidad celular y los rendimientos de soforolípidos respecto al control sin percolación. Además, el líquido percolado permitió monitorizar en tiempo real el consumo de glucosa y la dinámica del proceso. La tercera estrategia se centra en mitigar los gradientes de temperatura característicos de los lechos sólidos debido a la actividad microbiana. Para ello se evaluaron cepas termófilas y termotolerantes previamente aisladas de compost por GICOM. Se seleccionó la cepa de Bacillus subtilis con mejor desempeño para optimizar la producción de biosurfactantes lipopeptídicos utilizando WOC y melaza de caña como sustratos. El proceso se estudió entre 30 y 60 °C y se escaló a un reactor piloto de 50 L. Aunque la producción disminuyó ligeramente al escalar, se mantuvo en el mismo orden de magnitud, identificándose la humedad como un factor limitante clave. Además, en colaboración con la Universidad Federal de Río de Janeiro, la cepa termofílica se ensayó en SmF con distintos sustratos y se escaló a un reactor de 14 L usando un destilado de aceite de maíz, residuo de la producción de bioetanol, como fuente de carbono. Se identificaron los congéneres producidos en ambas tecnologías y se realizaron ensayos preliminares de biorremediación de aceites en agua. Los resultados demostraron la complementariedad entre SSF y SmF en la valorización de residuos. En conjunto, la tesis presenta estrategias prometedoras para el escalado de SSF, acercando esta tecnología a niveles de madurez comparables con el compostaje o la digestión anaerobia, y posicionándola como una alternativa sostenible para la valorización de residuos y la producción de bioproductos de alto valor en el marco de una bioeconomía circular. |
| Resum: |
This doctoral thesis, conducted between September 2022 and November 2025 in the Department of Chemical, Biological and Environmental Engineering at the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), within the Composting Research Group (GICOM), is framed within two projects funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation: Surfing Waste and SOLSTICE. The Surfing Waste project (2021-2024) focuses on producing glycolipid biosurfactants from organic waste as a sustainable alternative to conventional chemical surfactants. In turn, SOLSTICE (2024-2027) aims to scale up solid-state fermentation (SSF) to produce biosurfactants, biopesticides, and biostimulants, promoting their industrial application and integration into agricultural waste valorisation processes. In this context, the thesis proposes various strategies to overcome the limitations associated with scaling up SSF in packed-bed reactors, with the goal of producing biosurfactants from agricultural residues. The work combines operational and microbiological approaches and is structured around three main strategies. The first strategy aims to expand the range of biosurfactants that can be produced through SSF using microorganisms typically employed in submerged fermentation (SmF). Straw was used as a solid support, and a sunflower oil winterisation residue (WOC) served as the carbon source. The yeasts Ustilago maydis and Moesziomyces bullatus were inoculated to produce mannosylerythritol lipids (MELs). The process was monitored over time in 0. 5 L reactors, and the specific MEL congeners generated by each strain were identified. The second strategy addresses mass transfer limitations inherent to SSF by incorporating a trickling liquid phase supplied from the top of the reactor to deliver glucose in a controlled manner. A trickle-bed reactor was designed and constructed for this purpose, improving nutrient distribution and system moisture. The process was later optimised to convert SSF into Solid Substrate Fermentation (SSuF) with Starmerella bombicola, adjusting glucose concentration, operation time, and pumping frequency. This approach enhanced cell viability and sophorolipid yields compared to the control without percolation. Moreover, the percolated liquid enabled real-time monitoring of glucose consumption and process dynamics. The third strategy focuses on mitigating temperature gradients typically developed within solid beds due to microbial metabolism. Several thermophilic and thermotolerant strains previously isolated from compost by the GICOM group were evaluated. The best-performing Bacillus subtilis strain was selected to optimise lipopeptide biosurfactant production using WOC and sugarcane molasses as substrates. The process was studied at temperatures between 30 and 60 °C and subsequently scaled up in a 50 L pilot reactor. Although production slightly decreased at pilot scale, it remained within the same order of magnitude, highlighting moisture as a key limiting factor. Additionally, through an international collaboration with the Federal University of Rio de Janeiro (Brazil), the thermophilic strain was tested under SmF conditions with different substrates and scaled up to a 14 L reactor using corn oil distillate- a by-product of maize-based bioethanol production- as the carbon source. The lipopeptide congeners obtained in both technologies were identified, and preliminary oil bioremediation tests in water were conducted with the produced biosurfactants. The results demonstrated the complementarity between SSF and SmF for residue valorisation. Overall, this thesis presents promising strategies for scaling up SSF, bringing this technology closer to the maturity level of composting or anaerobic digestion, and positioning it as a sustainable technological alternative for waste valorisation and the production of high-value bioproducts within a circular bioeconomy. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència i Tecnologia Ambientals |
| Drets: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Llengua: |
Anglès |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Matèria: |
Biosurfactants ;
Biosurfactantes ;
Fermentació en estat sòlid ;
Solid-state fermentation ;
Fermentación en estado sólido ;
Residus ;
Waste ;
Residuos ;
Ciències Experimentals |
visitant ::
identificació
