Estudio de un proceso para la extracción y purificación de ectoína producida por bacterias metanótrofas a partir de corrientes gaseosas con metano

Abstract

En este trabajo se ha realizado el estudio de diferentes alternativas del proceso de obtención y purificación de ectoína a partir de bacterias metanótrofas crecidas en medios altamente salinos, alimentadas con residuos en plantas de tratamiento de gases, partiendo de estudios previos de laboratorio y referencias bibliográficas. El proceso consta de dos etapas principales: una primera en la que se extrae la ectoína de las bacterias mediante un proceso conocido como bio-milking y un proceso de purificación de ectoína en el que se ha estudiado el uso de diferentes ácidos, con el objetivo de separar la ectoína del resto de sólidos (ST) presentes en la disolución obtenida tras el bio-milking. La extracción de la ectoína presente en las células cultivadas en una disolución fuertemente salina en la etapa de bio-milking se realiza con un choque hipo-osmótico con agua destilada y un centrifugado. Se han probado diferentes relaciones agua/biomasa y distintos tiempos de agitación con el objetivo de optimizar el proceso, obteniendo los mejores resultados para una relación agua /biomasa 1:4 y un tiempo de agitación de 5 minutos, con un rendimiento de extracción de ectoína en esta etapa del 24 %. El proceso de purificación consta en primer lugar de una electrodiálisis que elimina las sales de nuestra disolución. En los dos experimentos realizados, con ácido sulfúrico y ácido clorhídrico, se obtuvo en esta etapa una recuperación de ectoína del 66 %, con una eliminación de sales (objetivo de esta parte del experimento) del 98 % em ambos casos. A continuación, la disolución desalinizada se procesa en una columna de intercambio iónico con una resina que, en medio ácido (pH 2), retiene la ectoína que es recuperada posteriormente empleando como eluyente una disolución de NaOH 1.3M. Este trabajo evalúa el empleo de dos ácidos diferentes: ácido sulfúrico y ácido clorhídrico. Una vez recuperada la ectoína, la muestra se neutraliza con uno u otro ácido, según el experimento. Para el ácido sulfúrico se obtuvo en una recuperación de ectoína del 70 % con ácido sulfúrico respecto de la etapa anterior, y del 66 % en el caso del ácido clorhídrico. Si bien debido al uso de los diferentes ácidos y bases, la concentración de sales aumenta significativamente en esta etapa en ambos experimentos, el objetivo era eliminar sólidos volátiles (SV) diferentes de la ectoína que no se consiguió, disminuyendo la relación ectoína/SV en esta etapa, en contra de lo esperado. Cuando se usa ácido sulfúrico, el siguiente paso es una precipitación de los sulfatos con metanol. En el experimento con ácido clorhídrico, la muestra neutralizada se trata mediante una segunda electrodiálisis. En la precipitación con metanol se obtuvo una recuperación de ectoína del 53 %, mientras que en la segunda electrodiálisis se obtuvo un 92 % de recuperación de ectoína. El objetivo de la precipitación y de la segunda electrodiálisis era la reducción de las sales presentes, con una reducción del 99.8 % en la precipitación con metanol y del 99 % en la segunda electrodiálisis. De forma global, en el experimento con ácido sulfúrico se ha conseguido una reducción de sales del 99.5 % y con ácido clorhídrico del 99.8 %. Aunque este no era, en principio el objetivo de esta etapa, se redujeron también un 93 % los SV en la precipitación con metanol y un 95 % en la segunda electrodiálisis. Se logró así una reducción global de los SV en todo el proceso del 96 % con ácido sulfúrico y del 90 % con ácido clorhídrico. Finalmente, en ambos casos, la disolución final se cristaliza en un evaporador para obtener el producto final, con un porcentaje de recuperación final de ectoína del 24.3 % con ácido sulfúrico y 38 % con ácido clorhídrico. En el proceso global la pureza aumentó de un porcentaje ectoína/ST inicial de 0.8 % hasta un porcentaje ectoína/ST de 28.3 % con ácido sulfúrico y 39 % con ácido clorhídrico.

In this work, a study was conducted on different alternatives for the process of obtaining and purifying ectoine from methanotrophic bacteria grown in highly saline media, fed with waste from gas treatment plants, based on previous laboratory studies and bibliographic references. The process consists of two main stages: the first one involves extracting ectoine from the bacteria through a process known as bio-milking, and a purification process in which the use of different acids was studied with the aim of separating ectoine from the rest of the solids (ST) present in the solution obtained after bio-milking. The extraction of ectoine present in the cells cultivated in a highly saline solution during the bio-milking stage is performed with a hypo-osmotic shock using distilled water and centrifugation. Different water/biomass ratios and various agitation times were tested to optimize the process, achieving the best results with a water/biomass ratio of 1:4 and an agitation time of 5 minutes, resulting in an ectoine extraction yield of 24% in this stage. The purification process first involves electrodialysis, which removes salts from our solution. In the two experiments conducted with sulfuric acid and hydrochloric acid, an ectoine recovery of 66% was achieved in this stage, with a salt removal (the goal of this part of the experiment) of 98% in both cases. Next, the desalinated solution is processed in an ion exchange column with a resin that, in an acidic medium (pH 2), retains the ectoine, which is later recovered using a 1.3M NaOH solution as an eluent. This work evaluates the use of two different acids: sulfuric acid and hydrochloric acid. Once the ectoine is recovered, the sample is neutralized with either acid, depending on the experiment. For sulfuric acid, an ectoine recovery of 70% from the previous stage was obtained, and 66% in the case of hydrochloric acid. However, due to the use of different acids and bases, the salt concentration increases significantly in this stage in both experiments. The goal was to eliminate volatile solids (VS) different from ectoine, which was not achieved, decreasing the ectoine/VS ratio in this stage, contrary to expectations. When sulfuric acid is used, the next step is sulfate precipitation with methanol. In the experiment with hydrochloric acid, the neutralized sample is treated through a second electrodialysis. In the methanol precipitation, an ectoine recovery of 53% was obtained, while the second electrodialysis yielded a 92% ectoine recovery. The objective of the precipitation and the second electrodialysis was the reduction of the present salts, with a reduction of 99.8% in the methanol precipitation and 99% in the second electrodialysis. Overall, the experiment with sulfuric acid achieved a salt reduction of 99.5%, and with hydrochloric acid, 99.8%. Although this was not initially the goal of this stage, the VS were also reduced by 93% in the methanol precipitation and 95% in the second electrodialysis. Thus, a global reduction of VS in the entire process of 96% with sulfuric acid and 90% with hydrochloric acid was achieved. Finally, in both cases, the final solution is crystallized in an evaporator to obtain the final product, with a final ectoine recovery percentage of 24.3% with sulfuric acid and 38% with hydrochloric acid. In the overall process, the purity increased from an initial ectoine/ST percentage of 0.8% to an ectoine/ST percentage of 28.3% with sulfuric acid and 39% with hydrochloric acid.