Procesos integrados de biotransformación y separación de interés industrial en líquidos iónicos y disolventes eutécticos profundos

Resumen

La sostenibilidad de los procesos químicos es uno de los principales retos a los que se enfrenta el desarrollo industrial y se encuentra enmarcado dentro de los doce Principios de la Química Verde. La aplicación de dichos principios es fundamental para la construcción de una industria química limpia y eficaz, que deje la menor huella medioambiental. En este contexto, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de procesos químicos integrados de reacción/separación, para la obtención directa de productos de alto valor añadido para la industria química. En concreto, se ha llevado a cabo la síntesis biocatalítica de diversos compuestos de interés en la industria cosmética, alimentaria y farmacéutica (monoésteres de pantenol y ésteres de aromas), así como de biodiesel a partir de fuentes renovables. La metodología empleada para alcanzar este objetivo es genuinamente original, ya que combina la elevada actividad y selectividad que presentan las enzimas con las excelentes cualidades de los medios de reacción no acuosos empleados: líquidos iónicos (ILs) y disolventes eutécticos profundos (DESs). Las principales conclusiones obtenidas con las actividades experimentales realizadas son: 1) Se han desarrollado dos metodologías para la obtención de monoésteres de pantenilo (pro-vitamina B5). La primera metodología se basó en la combinación de una lipasa con diferentes ILs para llevar a cabo la síntesis selectiva de estos compuestos mediante esterificación directa de ácidos grasos con pantenol y mediante transesterificación, empleando diferentes donadores de acilo. Se obtuvieron buenos rendimientos y selectividades en la síntesis de monoésteres de pantenilo cuando se emplearon ILs, basados en derivados alquílicos del catión imidazolio ([Xmim]+) y en aniones [BF4]- y [NTf2]- como medio de reacción. No obstante, también se pudo demostrar la capacidad del pantenol para formar mezclas eutécticas con diferentes ácidos grasos de larga longitud de cadena. De esta manera, se consiguió por primera vez, obtener un sistema líquido monofásico a partir de la mezcla de los dos sustratos sólidos (ácido graso y pantenol) tras su fusión a temperaturas próximas a 60ºC. Asimismo, se demostró la idoneidad de estos nuevos medios líquidos de reacción, que estaban exclusivamente formados por los propios sustratos de la reacción, en la síntesis biocatalítica de monoésteres de pantenilo, ya que se obtuvieron elevados rendimientos de síntesis (>80%) y selectividad de reacción (>93%), además de mantener activa y estable a la enzima durante siete ciclos operacionales de reutilización. 2) Se ha desarrollado una metodología eficiente para la síntesis biocatalítica de dieciséis ésteres de aromas en líquidos iónicos tipo esponja (SLILs). Para ello, se evaluó el empleo de lipasas inmovilizadas en la esterificación de ácidos carboxílicos con diferentes alcoholes alifáticos o aromáticos en diferentes SLILs. Además, se ha desarrollado un protocolo sencillo para la separación de los productos basada en la centrifugación tras enfriamiento de la mezcla SLIL/éster de aroma empleando filtros de membranas de nylon, obteniendo elevados rendimientos de extracción (>95%) y recuperando el sistema biocatalizador/SLIL, que se pudo reutilizar durante seis ciclos operacionales. 3) Se ha desarrollado un nuevo procedimiento integral para la extracción directa de aceite de dos microalgas y posterior síntesis biocatalítica in situ de biodiesel, incluyendo la separación final del biodiesel producido y recuperación del sistema biocatalizador/ILs. Para ello, se evaluó el papel de diferentes mezclas binarias de SLILs con [Bmim][Cl] en la extracción de aceite de Chlorella vulgaris o Chlorella protothecoides y biotransformación in situ en biodiesel. Se obtuvo la síntesis rápida y eficiente de biodiesel cuando se empleó una mezcla de ILs [C16tma][NTf2]:[Bmim][Cl] (95:5 v/v), pudiendo separar el biodiesel producido a través de un protocolo sencillo de enfriamiento/centrifugación a temperaturas controladas. Esta Tesis Doctoral propone metodologías originales, eficientes y sencillas, ya que integran la transformación biocatalítica, con elevada selectividad, de sustratos obtenidos a partir de fuentes renovables con la separación de productos sin el empleo de disolventes orgánicos. Estas aportaciones constituyen un importante aval hacia la construcción de una industria química más sostenible, ya que requieren bajo consumo energético y evitan la generación de subproductos de reacción, maximizando así la economía atómica de los procesos. Finalmente, y para todos los casos desarrollados, los sistemas de reacción/separación basados en la combinación del biocatalizador/ILs, fueron fácilmente recuperados y reutilizados durante diferentes ciclos operacionales.