En un gran avance para la producción química respetuosa con el medio ambiente, investigadores del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI) han desarrollado una forma económica de producir ácido succínico, un importante químico industrial, a partir de la caña de azúcar.

El equipo de investigadores de la Universidad de Illinois y la Universidad de Princeton creó una tubería rentable de extremo a extremo para este valioso ácido orgánico mediante la ingeniería de una levadura resistente y tolerante a los ácidos como agente fermentador, evitando pasos costosos en el procesamiento posterior. El ácido succínico es un aditivo ampliamente utilizado para alimentos y bebidas y tiene diversas aplicaciones en productos agrícolas y farmacéuticos .

Este mismo oleoducto se puede utilizar para producir otros ácidos orgánicos de importancia industrial a los que se dirige CABBI en su trabajo para desarrollar biocombustibles y bioquímicos sostenibles a partir de cultivos, dijo el coautor Huimin Zhao, líder del tema de conversión de CABBI y profesor de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE) en Illinois. Para reducir la dependencia de los combustibles fósiles , los investigadores de Conversion están implementando microbios para convertir la biomasa vegetal en productos químicos utilizados en productos cotidianos como una alternativa a la producción convencional basada en petróleo.

«Esto servirá como modelo para todos los demás productos de ingeniería metabólica de CABBI», afirmó Zhao, uno de los investigadores principales de CABBI en el proyecto.

El estudio se publica en Nature Communications y el trabajo se basa en años de investigación sobre la producción de ácido succínico realizado por Zhao y sus colegas utilizando Issatchenkia orientalis, una levadura no convencional ideal para producir ácidos orgánicos.

I. orientalis tiene la capacidad única de prosperar en condiciones ácidas o de pH bajo. La mayoría de los organismos requieren un ambiente de pH neutro para sobrevivir, incluida Saccharomyces cerevisiae, una levadura más convencional, o la bacteria Escherichia coli. Ambos han sido utilizados por empresas y laboratorios para producir ácido succínico, pero resultaron ser demasiado costosos, por lo que los esfuerzos por aumentar la producción han fracasado, afirmó Zhao.

Esos microorganismos requieren la adición de una base para neutralizar las condiciones ácidas tóxicas para que puedan seguir produciendo ácido succínico. Pero eso genera productos secundarios, como yeso o sulfato de calcio, que deben separarse al final del proceso para purificar el producto, lo que eleva los costos de procesamiento posteriores.

«Uno de los obstáculos en la producción de ácidos orgánicos es el coste de separación», afirmó Zhao. «Tenemos que agregar mucha base para mantener el pH casi neutro, entre 6 y 7».

Sin embargo, con I. orientalis «el organismo vive felizmente a un pH de 3 a 4», por lo que no se necesitan aditivos, afirmó Zhao. «Al final, esto reduce significativamente los costes».

Los investigadores del CABBI también realizaron una extensa ingeniería metabólica para reconfigurar la I. orientalis para que produzca niveles sólidos de ácido succínico, superiores a los de S. cerevisiae o E. coli, dijo. Utilizando el análisis del flujo metabólico del laboratorio de Rabinowitz, identificaron los pasos en el metabolismo de la levadura que limitaban la producción de ácido succínico. Un obstáculo clave: la I. orientalis nativa no puede utilizar la sacarosa de la caña de azúcar. Entonces se añadió una enzima que podía descomponer la sacarosa del jugo de la caña de azúcar en glucosa y fructosa para producir ácido succínico. Se introdujeron otros genes para producir en exceso ácido succínico.

Luego, trabajando con el grupo de Singh en IBRL, el equipo amplió la producción de ácido succínico utilizando equipos industrialmente relevantes para llevar a cabo una integración de extremo a extremo del proceso. El trabajo a escala piloto demostró que las nuevas cepas podían producir hasta 110 g/L de ácido succínico y, después de la fermentación por lotes y el procesamiento posterior, un rendimiento general del 64%, resultados impresionantes que tienen importancia comercial, dijo Singh.

La combinación de mayores niveles de producción a través de la ingeniería genética y menores costos por la eliminación de la separación posterior hace que el proceso sea «muy atractivo», dijo Zhao. «Por eso el oleoducto es tan económico, al menos a esta escala piloto».

El paso final fue trabajar con Guest para simular un proceso completo de producción de ácido succínico de bajo pH, de extremo a extremo, utilizando la plataforma de software de código abierto BioSTEAM desarrollada por su grupo. El análisis tecnoeconómico (TEA) y la evaluación del ciclo de vida mostraron que el proceso era financieramente viable y podía reducir las emisiones de gases de efecto invernadero entre un 34% y un 90% en comparación con los procesos de producción basados ​​en combustibles fósiles.

«Estos avances en ingeniería metabólica podrían tener beneficios a gran escala, reduciendo simultáneamente los costos y los impactos ambientales en apoyo de una bioeconomía circular», dijo Guest.

El proceso emite menos dióxido de carbono (CO 2 ) que el procesamiento químico convencional a base de petróleo. Plantas como la caña de azúcar también absorben carbono, y el CO 2 puede usarse como sustrato para el proceso, reduciendo aún más su huella de carbono.

«Definitivamente es más respetuoso con el medio ambiente. Esa es la premisa de toda la investigación en CABBI: utilizar recursos renovables para fabricar productos químicos y combustibles», afirmó Zhao.

Los investigadores planean realizar más estudios a gran escala pronto para respaldar la comercialización del proceso de producción de ácido succínico.

El trabajo también servirá de modelo para la producción de otros productos CABBI que utilicen I. orientalis, incluido el ácido 3-hidroxipropiónico (3-HP). El mercado de 3-HP, utilizado en componentes de pañales desechables y selladores, supera los mil millones de dólares, y las investigaciones hasta la fecha muestran una gran promesa, dijo Zhao.

«Esperamos que I. orientalis pueda servir como plataforma industrial general para la producción de una amplia variedad de ácidos orgánicos», dijo Vinh Tran, autor principal del artículo y Ph.D. estudiante en ChBE.

El proyecto involucró a varios grupos de laboratorio y contribuciones de los tres temas de investigación de CABBI: uso de jugo de caña de azúcar del equipo de investigación de Producción de Materias Primas, investigación metabólica e instalaciones de bioprocesamiento del equipo de Conversión, y análisis económico y ambiental del equipo de Sostenibilidad.

Los coautores incluyeron a los investigadores del CABBI Sarang Bhagwat de CEE y Yihui Shen del Departamento de Química de Princeton; Somesh Mishra de ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma y Benjamin Crosly de ChBE; y Jayne Allen de CEE.

Fuente: phys.org