Production of hydrolytic enzymes from Aspergillus niger in solid-state fermentation and their subsequent application on lignocellulosic residues pretreated with deep eutectic solvents to obtain fermentable sugars

Abstract

Los residuos agroindustriales se usan generalmente para hacer compostaje o se abandonan directamente en el campo, lo que produce la proliferación de contaminantes y emisiones tóxicas al medioambiente. Sin embargo, estos desechos están compuestos principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina, componentes químicos que pueden ser utilizados para la generación de un gran número de productos de alto valor agregado. Por lo que es necesario el desarrollo de procesos adecuados para transformar esta biomasa lignocelulósica en una fuente de riqueza, renovable, abundante y económica. De acuerdo con el concepto de biorrefinería, la biomasa lignocelulósica se puede fraccionar en sus tres compuestos principales con el uso de pretratamientos físicos, químicos y biológicos con el propósito de generar disoluciones de azúcares fermentables. Sin embargo, los altos costos de las enzimas y su disponibilidad continúan siendo el cuello de botella para implementar la hidrólisis enzimática de esta biomasa, por ello la industria demanda catalizadores más estables, activos y económicos. Debido a esto, se han llevado a cabo estudios para la producción de enzimas a partir de diferentes residuos, mecanismos de acción, regulación de la expresión en microorganismos y estrategias para hacer el proceso más viable económicamente. Entre los microorganismos que degradan este complejo lignocelulósico, debido a la producción de enzimas hidrolíticas, se encuentran los hongos filamentosos, conocidos como agentes de descomposición de la materia orgánica. Así mismo, ha sido estudiado el uso de pretratamientos químicos que faciliten la digestión de la lignocelulosa, requieran menos energía para llevar a cabo el proceso, generen menos residuos tóxicos secundarios, sean económicos, replicables y escalables. De todos estos trabajos destaca el reciente uso de disolventes eutécticos profundos (DEP) los cuales son capaces de formar mezclas eutécticas y poseen ventajas respecto a los procesos convencionales ya que son biodegradables y de bajo costo, lo cual los hace atractivos para la aplicación y escalado en las industrias para la obtención de una variedad de productos. Por tal motivo, en este trabajo se propone de una parte el estudio del mecanismo de producción de enzimas hidrolíticas a partir de una variedad de hongos del género Asperguillus; por otra parte la deslignificación de los mismos materiales lignocelulósicos con el uso de disolventes eutécticos profundos (DEP); y finalmente el empleo de las enzimas hidrólitas producidas sobre los materiales delignificados para el fraccionamiento de la celulosa y hemicelulosa residual a fin de obtener disoluciones de azúcares fermentables.

Os residuos agroindustriais úsanse xeralmente para compostaxe ou son abandonados directamente no campo, dando lugar á proliferación de contaminantes e emisións tóxicas no medio ambiente. Non obstante, estes residuos están compostos principalmente por celulosa, hemicelulosa e lignina, compoñentes químicos que se poden usar para xerar un gran número de produtos de alto valor engadido. Por iso, é necesario desenvolver procesos adecuados para transformar esta biomasa lignocelulosica nunha fonte de riqueza, renovable, abundante e económica. Segundo o concepto de biorrefinería, a biomasa lignocelulosica pode dividirse nos seus tres compostos principais co uso de pretratamentos físicos, químicos e biolóxicos co fin de xerar solucións de azucres fermentables. Non obstante, os elevados custos dos encimas e a súa dispoñibilidade continúan sendo o pescozo de botella para implementar a hidrólise enzimática desta biomasa, polo que a industria demanda catalizadores máis estables, activos e económicos. Debido a isto, realizáronse estudos para a produción de enzimas a partir de diferentes residuos, mecanismos de acción, regulación da expresión en microorganismos e estratexias para facer máis viable económicamente o proceso. Entre os microorganismos que degradan este complexo lignocelulosico, debido á produción de encimas hidrolíticos, hai fungos filamentosos, coñecidos como axentes de descomposición da materia orgánica. Así mesmo, o uso de pretratamentos químicos que faciliten a dixestión da lignocelulosa, requiren menos enerxía para levar a cabo o proceso, xeran menos residuos tóxicos secundarios, sexan económicos, replicables e escalables. De todos estes traballos, destaca o recente uso de disolventes eutécticos profundos (DEP), que son capaces de formar mesturas eutécticas e teñen vantaxes sobre os procesos convencionais xa que son biodegradables e baratos, o que os fai atractivos para a súa aplicación e escalado. en industrias para obter unha variedade de produtos. Por este motivo, o presente traballo propón por unha banda o estudo do mecanismo de produción de encimas hidrolíticas procedentes dunha variedade de fungos do xénero Asperguillus; por outra banda, a delignificación dos mesmos materiais lignocelulosicos co uso de disolventes eutécticos profundos (DEP); e finalmente o uso de encimas hidrófilos producidos sobre os materiais delignificados para o fraccionamento de celulosa residual e hemicelulosa co fin de obter solucións de azucres fermentables.

Agroindustrial wastes are generally used for composting or are abandoned directly in the field, resulting in the proliferation of pollutants and toxic emissions into the environment. However, these wastes are mainly composed of cellulose, hemicellulose and lignin, chemical components that can be used to generate a large number of products with high added value. Therefore, it is necessary to develop adequate processes to transform this lignocellulosic biomass into a source of wealth, renewable, abundant and economical. According to the concept of biorefinery, lignocellulosic biomass can be divided into its three main compounds with the use of physical, chemical and biological pretreatments in order to generate solutions of fermentable sugars. However, the high costs of enzymes and their availability continue to be the bottleneck to implement the enzymatic hydrolysis of this biomass, which is why the industry demands more stable, active and economical catalysts. Due to this, studies have been carried out for the production of enzymes from different residues, mechanisms of action, regulation of expression in microorganisms and strategies to make the process more economically viable. Among the microorganisms that degrade this lignocellulosic complex, due to the production of hydrolytic enzymes, are filamentous fungi, known as agents of decomposition of organic matter. Likewise, the use of chemical pretreatments that facilitate the digestion of lignocellulose, require less energy to carry out the process, generate less secondary toxic waste, be economical, replicable and scalable. Of all these works, the recent use of deep eutectic solvents (DEP) stands out, which are capable of forming eutectic mixtures and have advantages over conventional processes since they are biodegradable and inexpensive, which makes them attractive for application and scaling. in industries to obtain a variety of products. For this reason, this work proposes on the one hand the study of the mechanism of production of hydrolytic enzymes from a variety of fungi of the genus Asperguillus; on the other hand the delignification of the same lignocellulosic materials with the use of deep eutectic solvents (DES); and finally the use of the hydrophilic enzymes produced on the delignified materials for the fractionation of residual cellulose and hemicellulose in order to obtain solutions of fermentable sugars.