Diseño in silico de una plataforma biosintética que permita la valoración del gas de síntesis mediante su conversión en etileno, implementando herramientas de ingeniería metabólica

Abstract

El etileno es una materia prima importante en la industria petroquímica. Para su producción mediante craqueo de combustibles fósiles se usan altas temperaturas y presiones. Además del gasto energético se libera una cantidad alta de gases con efecto invernadero, por lo que su impacto ambiental resulta alto. Con el fin de evitar estos efectos adversos es necesario usar un proceso alternativo, con temperaturas y presiones más bajas, y que además use materia renovable. En Colombia, hay una alta oferta de biomasa que podría ser usada para generar este producto con valor agregado. Sin embargo, con el fin de no competir con la industria alimenticia, la biomasa disponible deberá provenir de residuos, los cuales han de tener un pretratamiento. Tradicionalmente, se han usado procesos termoquímicos como la hidrolisis, sin embargo, esto genera desventajas para el proceso ya que representa un gasto energético y puede generar un sustrato con compuestos tóxicos para las células. Como alternativa para este pretratamiento, en este trabajo se evaluó la fermentación de syngas proveniente de residuos agroindustriales colombianos. Debido a que en la naturaleza aún no se han identificado microorganismos que realicen el proceso de fijación de gas para sintetizar etileno, el objetivo de este estudio fue desarrollar una plataforma biosintética para la bioconversión del syngas en etileno, implementando herramientas de ingeniería metabólica y termodinámicas. Para ello se utiliza un enfoque de diseño racional, construyendo inicialmente un modelo de black box, seguido de un modelo de escala genómica, además de implementar la evaluación del potencial económico. Aunque el proceso es energéticamente costoso para la célula, resultaría viable si se implementan reacciones de la ruta de Wood-Ljungdahl y de producción de etileno de manera anaeróbica. Además, se hace económicamente factible si se usa un syngas que contenga más del 50% del contenido de sustrato útil y su precio sea menor a 0.09 USD/kg

Abstract: Ethylene is an important building block in the petrochemical industry. The production process by cracking use high temperatures and pressures. In addition to this energy cost, it releases a high amount of greenhouse gases posing a high impact on the environment. In order to avoid these adverse effects, it is necessary to use an alternative process, at lower temperatures and pressures, and preferably using renewable feedstocks. In Colombia, there is a high supply of biomass, which could be used to generate this product with added value. However, in order to prevent competition with the food industry, the available biomass should come from waste that may require some pretreatments. Traditionally, thermochemical processes such as hydrolysis have been used, however, it represents disadvantages for the process due to the energy expenditure and toxic compounds for the cells that the final substrate could contain. With the purpose of studying an alternative process to the traditional pretreatment, in this work we explore syngas fermentation of Colombian agroindustrial waste. There are no yet known microorganisms that naturally carry out the gas fixing process to synthesize ethylene. Therefore, the objective of this study was to develop a biosynthetic platform for the bioconversion of syngas into ethylene, implementing metabolic engineering and thermodynamic tools. Using a rational design approach, we obtained a black box model, followed by a genome scale model, as well as an economic evaluation. This indicates that the process, although it is energetically expensive for the cell, it may become feasible if reactions of the Wood-Ljungdahl route and ethylene production are implemented. In addition, it becomes economically feasible if the syngas used contains more than 50% of the useful substrate and its price is lower than 0.09 USD / kg