Nuevo oleoducto produce ácido orgánico valioso a partir de plantas, ahorrando dinero y emisiones.

3 de octubre de 2023

Este artículo ha sido revisado según el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han destacado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

• verificación de hechos
• publicación revisada por pares
• corrección de pruebas

por Julie Wurth, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

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

El equipo de investigadores de la Universidad de Illinois y la Universidad de Princeton creó una tubería rentable de principio a fin para este valioso ácido orgánico al diseñar una levadura resistente al ácido como agente de fermentación, evitando costosos pasos en el procesamiento posterior. El ácido succínico es un aditivo ampliamente utilizado en alimentos y bebidas y tiene diversas aplicaciones en productos agrícolas y farmacéuticos.

Esta misma tubería se puede utilizar para producir otros ácidos orgánicos de importancia industrial que son el objetivo del trabajo de desarrollo de biocombustibles y productos químicos sostenibles de CABBI, 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 conversión están utilizando microorganismos para convertir biomasa vegetal en productos químicos utilizados en productos cotidianos como alternativa a la producción convencional a base de petróleo.

"Esto servirá como un modelo para todos los demás productos de ingeniería metabólica en CABBI", dijo 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 por parte de 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 de pH bajo o ácido. La mayoría de los organismos requieren un pH neutral para sobrevivir, incluyendo Saccharomyces cerevisiae, una levadura más convencional, o Escherichia coli. Ambos han sido utilizados por empresas y laboratorios para producir ácido succínico, pero resultaron ser demasiado costosos, por lo que los esfuerzos para aumentar la producción han fracasado, según Zhao.

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

"Uno de los cuellos de botella en la producción de ácidos orgánicos es el costo de separación", dijo Zhao. "Tenemos que agregar mucha base para mantener el pH cerca de neutral, entre 6 y 7".

Sin embargo, con I. orientalis, "el organismo vive felizmente a un pH de 3 a 4", por lo que los aditivos no son necesarios, dijo Zhao. "Al final, eso reduce significativamente los costos".

Los investigadores de CABBI también llevaron a cabo una amplia ingeniería metabólica para rediseñar I. orientalis y producir niveles robustos de ácido succínico, superiores tanto a S. cerevisiae como a E. coli, según dijo. Utilizando análisis de 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. Por lo tanto, se agregó una enzima que podía descomponer la sacarosa del jugo de caña de azúcar en glucosa y fructosa para hacer ácido succínico. También se introdujeron otros genes para sobreproducir ácido succínico.

Trabajando con el grupo de Singh en el IBRL, el equipo luego escaló la producción de ácido succínico utilizando equipos industrialmente relevantes para llevar a cabo una integración de principio a fin del proceso. El trabajo a escala piloto mostró 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%, impresionantes resultados con significado comercial, según dijo Singh.

La combinación de niveles de producción más altos mediante la ingeniería genética y costos más bajos gracias a la eliminación de la separación posterior hace que el proceso sea "muy atractivo", dijo Zhao. "Es por eso que la tubería es tan económica, al menos a esta escala piloto".

El último paso fue trabajar con Guest para simular una tubería completa de producción de ácido succínico de pH bajo utilizando la plataforma de software de código abierto BioSTEAM desarrollada por su grupo. El análisis tecnológico-económico (TEA) y la evaluación del ciclo de vida mostraron que el proceso era financieramente viable y podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 34% a un 90% en comparación con los procesos de producción basados en combustibles fósiles.

'These advancements in metabolic engineering could have large-scale benefits, simultaneously driving down costs and environmental impacts in support of a circular bioeconomy,' Guest said.

The process emits less carbon dioxide (CO2) than conventional petroleum-based chemical processing. Plants like sugarcane also soak up carbon, and CO2 can be used as a substrate for the process, further reducing its carbon footprint.

'It's definitely more environmentally friendly. That's the premise for all the research in CABBI: using renewable resources to make chemicals and fuels,' Zhao said.

Researchers plan further scale-up studies soon to support commercialization of the succinic acid production process.

The work will also be a template for production of other CABBI products using I. orientalis, including 3-hydroxypropionic acid (3-HP). The market for 3-HP, used in components of disposable diapers and sealants, exceeds $1 billion, and research to date shows huge promise, Zhao said.

'We expect I. orientalis can serve as a general industrial platform for the production of a wide variety of organic acids,' said Vinh Tran, primary author on the paper and a Ph.D. student in ChBE.

The project involved several lab groups and contributions from all three themes of CABBI's research—using sugarcane juice from the Feedstock Production research team, metabolic research and bioprocessing facilities from the Conversion team, and economic and environmental analysis from the Sustainability team.

Co-authors included CABBI researchers Sarang Bhagwat of CEE and Yihui Shen of the Department of Chemistry at Princeton; Somesh Mishra of ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma, and Benjamin Crosly of ChBE; and Jayne Allen of CEE.

Journal information: Nature Communications

Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign