Integrated Experimental and Modelling Strategy for Solid-State Fermentation Applied to Biosurfactant Production
La fermentació en estat sòlid (FES) s'està consolidant com una tecnologia clau per a la valorització de residus orgànics agroindustrials, contribuint al desenvolupament d'una bioeconomia circular. Malgrat els seus avantatges, la seva aplicació a escala industrial encara presenta dificultat...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:322871 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/322871 |
| Access Level: | acceso embargado |
| Palabra clave: | Biosurfactants Biosurfactantes Fermentació en estat sòlid Solid-state fermentation Fermentación en estado sólido Modelització Modelling Modelización Ciències Experimentals |
| Sumario: | La fermentació en estat sòlid (FES) s'està consolidant com una tecnologia clau per a la valorització de residus orgànics agroindustrials, contribuint al desenvolupament d'una bioeconomia circular. Malgrat els seus avantatges, la seva aplicació a escala industrial encara presenta dificultats, especialment pel que fa a la transferència de calor i matèria, aspectes que requereixen una millor comprensió dels fenòmens implicats. Aquesta tesi s'emmarca dins de dos projectes de recerca que busquen impulsar la FES com a eina per a la producció sostenible de bioproductes. El projecte Surfing Waste (2021-2024) explora l'ús de residus orgànics per a la producció de biosurfactants glicolipídics, com els soforolípids (SLs), mitjançant la FES. El projecte se centra en la millora del procés a través de l'ús de diferents residus, condicions operatives, tècniques sostenibles d'extracció i nanopartícules, amb l'objectiu d'assolir un enfocament de residu zero. Per altra banda, el projecte Solstice (2024-2028) té per objectiu posicionar la FES com a tecnologia fonamental per a la generació de bioproductes d'alt valor per a l'agroindústria, com biosurfactants, bioestimulants i biopesticides. El projecte inclou el desenvolupament de models matemàtics, disseny i escalat de bioreactors, selecció de microorganismes i avaluació tant ambiental com econòmica del procés. En aquest context, la tesi es centra en el desenvolupament, implementació i validació d'un model matemàtic que descrigui els fenòmens de transferència de calor i matèria dins d'un reactor de llit empacat per a la producció de SLs mitjançant FES. Per a construir aquest model, es van determinar experimentalment diversos paràmetres clau: propietats tèrmiques del llit, coeficients de transferència de calor i matèria, i coeficients associats a la cinètica microbiana. També es va col·laborar amb la Dra. Isabel Belo de la Universidade do Minho per avaluar la producció de SLs en una configuració alternativa: un reactor horitzontal rotatori. Cal destacar que aquest treball és el primer del grup de recerca GICOM en què s'aplica la modelització matemàtica als processos de FES. El primer capítol de resultats presenta el model seleccionat i una descripció detallada dels balanços de matèria i energia, així com la resolució numèrica de les equacions diferencials mitjançant el programari Matlab® R2022a. El capítol següent detalla la metodologia experimental emprada per determinar els paràmetres del model, utilitzant reactors de llit empacat de 0,5 L i recipients Dewar en condicions adiabàtiques. Això va permetre calcular propietats tèrmiques, coeficients de transferència i paràmetres cinètics relacionats amb el metabolisme microbiana i la generació de calor. La validació del model es va dur a terme utilitzant dades obtingudes d'un reactor de 22 L operat amb dues condicions d'aeració diferents. A partir d'aquestes dades es va realitzar una anàlisi de sensibilitat per identificar quins paràmetres afecten més el perfil tèrmic del sòlid i quins cal caracteritzar amb més precisió. Posteriorment, es van simular diferents estratègies operatives mitjançant el model validat, amb especial atenció a l'efecte de l'aireig sobre les dinàmiques de temperatura del procés. També es van analitzar altres condicions i configuracions extretes de la literatura per comparar-ne el comportament tèrmic. Finalment, es va estudiar la viabilitat de dues configuracions alternatives de reactor: bioreactor de tambor horitzontal i bioreactor de safates. Es va analitzar la seva capacitat de producció de SLs, comparant-les amb el sistema de llit empacat per identificar avantatges i limitacions de cada configuració. |
|---|