En los primeros estudios realizados sobre la fermentación alcohólica solamente interesaba el conocimiento de los productos iniciales y finales. En el siglo XVII Black estableció que los únicos productos formados por el azúcar durante la fermentación alcohólica eran etanol y dióxido de carbono. El sabio Lavoisier en 1789 llevó a cabo estudios cuantitativos sobre la fermentación alcohólica y halló además de etanol y dióxido de carbono, otro producto al que le dio el nombre de ácido acético. De 95.6 partes de azúcar obtuvo 57.5 % de etanol, 33.3 % de dióxido de carbono y 2.5 % de ácido acético. Aunque sus resultados fueron poco exactos el trabajo de Lavoisier se considera el primer estudio cuantitativo sobre la fermentación alcohólica.
En el año 1810 Gay – Lussac investigó más profundamente el campo abierto por Lavoisier, demostrando a su modo de ver cuál era la reacción química esencial de la fermentación alcohólica.
De 45 partes de glucosa obtuvo 23 de alcohol y 22 de dióxido de carbono. La descripción de la fermentación hecha por Gay – Lussac comprende solo la reacción total, pero no muestra el mecanismo bioquímico a través del que transcurre.
En 1857 Louis Pasteur comprobó que la fermentación solo ocurre en presencia de células vivas. Demostró que 100 partes de sacarosa dan lugar a 105.4 partes de azúcar invertido las que a su vez producían 51.1 partes de etanol, 49.4 de dióxido de carbono, 3.2 partes de glicerina, 0.7 partes de ácido succínico y 1 parte de otras sustancias, demostrando así que las reacciones pondérales de Gay – Lussac no eran exactas. Demostró además, que no requieren de la presencia de oxígeno, es decir que a través de este proceso, las levaduras pueden derivar de la glucosa la energía precisa.
Pasteur descubrió que el proceso catabólico de la fermentación es un proceso anaeróbico, y también que si se introduce aire a la fermentación se detiene y las levaduras comienzan a multiplicarse.
Este efecto de inhibición anaeróbica se conoce con el nombre de reacción o efecto Pasteur. Tal efecto no se produce cuando en lugar de células vivas se utilizan extractos de levadura. Se manifiesta, sin embargo, de nuevo si se añaden al sustrato enzimas óxido-reductoras. Podría suponerse que el efecto era causado por algunas enzimas desconocidas. Lo que hoy se sabe acerca de las modificaciones producidas por el efecto Pasteur indican que no es probable que tales enzimas sean los únicos agentes que afectan el mecanismo de control.
Se han supuesto muchas explicaciones del efecto Pasteur, entre ellas las expuestas por Nord y Weiss, pero sin señalar exclusivamente la causa de este efecto a una enzima especifica, más bien se inclina por explicarlo a partir de varios factores combinados. (Sánchez, 1996 Navarro, 2003, Navarro, 2009, )
En 1897 el químico alemán Eduard Buchner, descubrió que un extracto de levaduras libre de células puede producir fermentación alcohólica. Preparó un jugo de levaduras (que tenían la propiedad de producir a partir de azúcar, etanol y dióxido de carbono), triturándolas con arena y sometiéndolas a elevada presión. La antigua incógnita fue entonces resuelta, la levadura produce la enzima y esta lleva a cabo la fermentación. (Enciclopedia Encarta, 2002)
Este descubrimiento prestó gran empuje a los estudios subsiguientes sobre las reacciones intermedias de la fermentación alcohólica. Luego, el primer paso importante para aclarar el mecanismo bioquímico de la fermentación lo dieron los alemanes quienes observaron que la fermentación podía producirse sin las células vivas de levadura, demostrando así por vez primera que este proceso metabólico se llevaba a efecto catalizado por enzimas o fermentos. (Sánchez, 1996, Navarro, 2003, Navarro, 2008, Navarro, 2009)
El dióxido de carbono y el etanol, son los productos principales de la fermentación alcohólica, pero se descubrió pronto que durante el proceso fermentativo se encontraban presentes otros productos, aunque en cantidades pequeñas, tales como el acetaldehído (CH 3CHO), glicerol (CH2OH-CH-OH-CH2-OH), ácido pirúvico (CH3CO-COOH) y otros. En 1905 Harden y Young descubrieron la importancia de los fosfatos en la fermentación sin células. Demostraron que durante la primera parte de la fermentación desaparecen los fosfatos inorgánicos mientras se producen fosfatos orgánicos, como ésteres de hexosa. (Sánchez, 1996, Navarro, 2003, Navarro, 2008, Navarro, 2009)
El difosfato de hexosa es un intermediario importante en los esquemas de Embden –Meyerhof y otros autores, sobre el desdoblamiento de los hidratos de carbono. Este compuesto tiene dos restos de fosfato o ácido fosfórico, unidos al primero y al sexto átomo de carbono de la hexosa, que parece ser la fructosa.
Se han procesado dos monofosfatos de hexosa que tienen propiedades distintas:
El éster de Robinson ( éster – 6 – fosfórico de la glucopiranosa)
El éster de Neuberg ( éster – 6 – fosfórico de la fructofuranosa)
Robinson y Morgan han aislado un fosfato de la trehalosa a partir de una fermentación llevada a cabo con levadura desecada. El esquema de Neuberg para el mecanismo de la fermentación alcohólica está basado en parte, en el hecho de que el ácido pirúvico es un intermediario y fermenta a una velocidad igual a la de la glucosa y también en la posibilidad de aislamiento de una triosa.
La formación de la glicerina que sobreviene pasajeramente durante la fermentación alcohólica se puede proseguir de formas diferentes.
C. Neuberg y L. Hirson agregaban sulfito o bisulfito de sodio, con lo cual se fijaba el acetaldehído y por ello, no podía actuar como aceptor de hidrógeno.
Esta forma de fermentación glicérica se denomina segunda ecuación de Neuberg.
La cantidad de glicerina formada en estos procesos depende de la especie de la levadura y de la composición del líquido fermentativo. La levadura alta tolera mejor la cantidad precisa de sulfito que la levadura baja.
(segunda ecuación de Neuberg)
Desde el punto de vista teórico, de 100 kg de hexosa deberían formarse 57 kg de glicerina, pero en la práctica esta cantidad difícilmente rebasa los 20 kg aparte de glicerina también se forma algo de alcohol, ya que debido a la acción tóxica de sulfito, a la levadura no se le puede agregar tanta cantidad de sulfito como para fijar el aldehído.
Así mismo, Neuberg ha demostrado que la glicerina también puede obtenerse en grandes cantidades cuando la fermentación se efectúa en sustrato alcalino, es decir, con un pH = 8.95.
Entonces no se produce ninguna desasimilación entre los fosfatos de triosa, con la cual el azúcar se descompone en glicerina, acetaldehído y dióxido de carbono.
El acetaldehído se transforma en ácido acético y alcohol, mediante la acción de las mutasas.
Evidentemente, ha quedado bien establecido que las enzimas de los microorganismos son las responsables de que un sustrato, de origen azucarado, amiláceo o celulósico, pueda ser transformado en el producto de nuestro interés (alcohol etílico).
Tradicionalmente las levaduras, han sido las más utilizadas para esta transformación de los diferentes sustratos, entre ellas podemos citar:
Saccharomyces cerevisiae.
Saccharomyces anamensis.
Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus.
Candida seudotropicalis.
Kluyveromyces marxianus.
Kluyveromyces fragilis.
Saccharomyces carlbergensis.
Saccharomyces uvarum.
Fermentación alcohólica
Fermentación:
No es más que la degradación de las moléculas combustibles, para los seres vivos para obtener energía.
La fermentación alcohólica es el proceso principal para obtener alcohol etílico. Este proceso puede ser:
Continuo.
Discontinuo.
Sólido.
Sumergido
Inmovilizada.
Al vacío.
Fermentación continua (método Melle – Boinot).
Este sistema concibe la idea de extraer la levadura contenida en baticiones fermentadas y utilizarlas en fermentaciones posteriores.
Se previene la contaminación bacteriana al tratar la crema centrifugada con ácido sulfúrico a pH 1.5 – 2.0 durante 2 horas.
Algo muy importante es que se requiere una temperatura de 32 ºC en fermentadores.
Si se compara este sistema con el tratamiento Jackemine posee una mayor productividad y además permite la recuperación de levaduras que pueden ser destinadas a la alimentación animal y la recirculación de la misma.
Si vemos las condiciones objetivas de Cuba este sistema resulta peligroso y caro ya que el riesgo de la contaminación siempre está presente y esto equivale a pérdidas sustanciosas en tiempo y dinero. Por otro lado es un sistema caro ya que para mantener la temperatura de los fermentadores en 32ºC se requiere de una planta de refrigeración que es sumamente costosa, si a esto le sumamos la centrifugación y separación de levaduras, entonces se encarece aún más. (David, 1986, Sánchez, 1996, Navarro, 2003, Navarro, 2009)
Fermentación discontinua (Sistema tradicional Jackemine)
El proceso de fermentación discontinua consiste en realizar las fermentaciones en fermentadores independientes unos de otros mediante la adición en cada uno de ellos del fermento y la miel diluida. La etapa inicial del ciclo es la necesaria limpieza del fermentador.
En la etapa de llenado del fermentador como un paso más en el desarrollo y multiplicación de las levaduras los podemos acometer de 3 formas diferentes:
1. De modo lento y continuo.
2. En tres o más etapas de llenado llamadas "refrescos".
3. De modo rápido y continuo.
La elección del método depende fundamentalmente de los recursos de refrigeración disponibles, ya que el propósito es evitar la elevación de la temperatura más allá de los niveles aceptados por nuestros microorganismos.
La fermentación alcohólica puede ser aeróbica y anaeróbica. (David, 1986, Sánchez, 1996, Navarro, 2003, Navarro, 2009)
Fermentación aeróbica:
Para obtener etanol es necesario primeramente la reproducción de las células de los microorganismos empleados en el proceso, ya que a mayor población de microorganismos en el proceso obtendremos mayor cantidad de etanol. Esto se logra con la fermentación aeróbica que no es más que una fermentación con oxigeno necesario para que los microorganismos se multipliquen. (David, 1986, Sánchez, 1996, Navarro, 2003, Navarro, 2009)
Fermentación anaeróbica:
Este tipo de fermentación es la etapa final del proceso de fermentación. Es el más sencillo y primitivo de mecanismo biológico que permite la obtención de energía de las moléculas nutritivas. Esta fermentación ocurre en ausencia de oxígeno. (David, 1986, Sánchez, 1996, Navarro, 2003, Navarro, 2009)
Fermentación sólida.
Este tipo de fermentación ocurre en ausencia de líquido y generalmente en frutas, materias azucaradas y materiales lignocelulósicos, puede ocurrir espontáneamente o mediante el empleo de levaduras, hongos o enzimas. Ocurre generalmente en bandejas. (Dustet, 2006, Navarro, 2009)
Fermentación sumergida.
Este tipo de fermentación, es la que se realiza dentro de los fermentadores en presencia de líquido. (Navarro, 2003, Navarro, 2009)
Fermentación inmovilizada.
Este es un tipo de fermentación novedosa, y dentro de ella las células inmovilizadas son las más empleadas. Este es un proceso más eficiente donde se han variado las levaduras y los azúcares a fermentar con la finalidad de obtener alcohol etílico.
En la producción de glucosa y celobiosa. (Herrera, 1981), se ha inmovilizado la enzima a – glucosidasa de Aspergillus phoenicis en presencia de alúmina y celulosa para la hidrólisis de los materiales lignocelulósicos,
Se han utilizado las células de Saccharomyces cerevisiae inmovilizadas en alginato para producir etanol a partir de glucosa. (Biotech and Bioeng. 1995)
En 1994 Sauroman ha utilizado células de Pichia stipitis inmovilizadas para producir etanol a partir de xilosa. (Sánchez, 1996)
En 1992 Iconomou, en Grecia ha utilizado células de Saccharomyces cerevisiae en gamma – alumina Houndry Ho 415 pellets cilíndricos para reducir los costos de producción del etanol a partir de melazas. (Sánchez, 1996)
Se ha desarrollado la sacarificación con células inmovilizadas de hongos Aspergillus awamori y comparado lo resultados con los de la sacarificación con células de Saccharomyces pastorianus para producir etanol a partir de celulosa. (Fujii N y colbs., 2001, Navarro, 2003, Navarro, 2009)
En Brasil se está utilizando la tecnología Lentikats para la inmovilización de células de Zymomonas mobilis en gel PVA (alcohol polivinílico), el cual es más barato, no es tóxico, no es biodegradable y posee una buena estabilidad mecánica, entre otras propiedades. (Rebros y colbs, 2006, Navarro, 2009)
Tendencias modernas en la producción de etanol
Actualmente existen diferentes tendencias en cuanto a los microorganismos empleados en la fermentación alcohólica.
Empleo de enzimas.
Empleo de levaduras termo tolerantes e híbridas.
Empleo de promotores.
Cultivo mixto.
Empleo de células inmovilizadas.
Uso de fermentación sólida.
Cultivos sumergidos.
Empleo de otros sustratos.
Empleo de bacterias.
Cultivo sólido.
También podemos encontrar procesos al vacío como:
Fermentación al vacío.
Destilación al vacío. (Navarro, 2003, Doménech, 2006)
A continuación se exponen las descripciones de estas nuevas tendencias:
Empleo de bacterias.
En la actualidad hay una gran tendencia a la utilización de bacterias:
Sé esta empleando la bacteria Zymomona mobilis para producir etanol.
Al comparar la Zymomona mobilis con la Saccharomyces cerevisiae se obtiene una productividad tres veces mayor para la Zymomona mobilis usando concentraciones de glucosa de 150 g/l o más bajas, ofreciendo resultados en cuanto a:
Rendimiento.
Concentración de sustrato.
Concentración de producto.
Perfil de pH.
Perfil de temperaturas.
Perfil de pH.
Perfil de temperaturas.
La operación de las columnas.
Al utilizar la Zymomona mobilis en fermentaciones a templa donde mantiene la viabilidad de la bacteria, durante la producción de etanol hay:
Buen rendimiento.
Acortamiento en los ciclos de fermentación:
Al comparar con las fermentaciones de las levaduras.
El genero Zymomona consta de bacilos gramnegativos grandes que realizan una fermentación vigorosa de azúcares a etanol.
También existe una tendencia al emplear hongos, muy modernamente se han descubierto hongos filamentosos que pueden ser utilizados en la producción de alcohol etílico a partir de materiales celulósicos como:
Este representa una abundante y renovable fuente, de materia prima, que pueden ser utilizadas para la producción de combustible como el etanol.
Algunos hongos filamentosos son capaces de convertir los azúcares simples en etanol, así como, son capaces de convertir materiales complejos como:
Fibra de avena.
Germen apresurado de maíz.
Fibra de maíz.
Directamente en etanol.
También estos hongos filamentosos pueden ser mejorados genéticamente para mejores resultados. (Skory y colbs, 2000)
Empleo de células inmovilizadas.
Es un proceso más eficiente donde se han variado las levaduras y los azúcares a fermentar con la finalidad de obtener alcohol etílico.
Se han inmovilizado las enzimas ß – glucosidasa de Aspergillus phoenicis en presencia de alumina y celulosa para la hidrólisis de los materiales lignocelulósicos, en la producción de glucosa y celobiosa.(Herrera, 1981)
Se ha inmovilizado la enzima ß – frutosidasa, mediante las microcápsulas formadas por las células en un soporte de zeolita para la inversión enzimática de la sacarosa.(Lago y colbs; 1988)
Se han utilizado células de Saccharomyces cerevisiae inmovilizadas en alginato para producir etanol a partir de glucosa. (Biotech and Bioeng, 19995)
En 1994 Sanroman ha utilizado células de Pichia stipitis inmovilizadas para producir etanol a partir de xilosa.
En 1992 Iconomou, en Grecia ha utilizado células de Saccharomyces cerevisiae gamma- alúmina Houndry Ho 415 pellets cilíndricos para reducir los costos de producción del etanol a partir de melazas.
En el 2001 N. Fujii y colbs han desarrollado la sacarificación con células inmovilizadas del hongo Aspergillus awamori y han comparado los resultados con los de la sacarificación con células de Saccharomyces pastorianus para producir etanol a partir de celulosa. (Fujii y colbs, 2001)
En Brasil se está utilizando la tecnología Lentikats para la inmovilización de células de Zymomona mobilis en gel PVA, el cual es más barato, no es tóxico, no es biodegradable, posee una buena estabilidad mecánica, entre otras.(Rebros y colbs. 2006)
Empleo de cultivo sólido.
Es un proceso muy novedoso que generalmente esta a escala de laboratorio, tal es el caso de:
En 1989 Morgan emplea azúcar de remolacha con el propósito de obtener etanol para usarlo como combustible.
En 1990 Kosaric et.al. ha cultivado cepa de Saccharomyces cerevisiae sobre Helianthus tuberosum (Jerusalem artichoke), obteniendo un buen rendimiento alcohólico que excede los rendimientos clásicamente obtenidos con Kluyveromyces. (Sánchez, 1996)
Empleo de promotores.
En 1986 en la India se comenzó el empleo de leche en polvo y Saccharomyces sp. SH-12, obteniéndose buenos rendimientos de etanol aunque a escala de laboratorio.
En otros ensayos se han utilizado diferentes aditivos que provocan el incremento del rendimiento alcohólico, como:
Leche entera de búfala.
Quitina.
Extracto de levadura.
También se ha utilizado aceite de soja con un incremento del rendimiento alcohólico.
En Cuba como en el resto de los países pobres del mundo no se puede utilizar un alimento de consumo humano y tan caro para la producción de etanol. Es por eso que se busco un promotor que contuviese ácido láctico y que constituyese un desecho en aras de un menor costo. El suero lácteo fue el promotor que reunió las características deseadas y se ha probado su efectividad tanto a escala de laboratorio como a escala industrial. (Sánchez, 1985)
Empleo de cultivo mixto.
El cultivo mixto se ha utilizado en otras producciones como la obtención de levaduras forrajeras, derivados lácteos, entre otras.
El cultivo mixto esta compuesto por dos o más microorganismos, existen:
Cultivo mixto de una bacteria y una levadura.
Existe una experiencia en 1992 de Ngang en Francia con Lactobacillus casei y Saccharomyces cerevisiae en mieles de remolacha y se observó que la presencia de la levadura era menos determinante para obtener elevados % alcohólicos. Esta experiencia se llevó a cabo a escala de laboratorio. (Sánchez, 1996)
Existe experiencia en 1995 y 1996 de Kamini en la India con Zymomona mobilis y Kluyveromyces fragilis para producir alcohol a partir de lactosa. (Sánchez, 1996)
Cultivo mixto de bacterias.
Existe una experiencia en Cuba de cultivo mixto de tres bacterias (Sporocy tophaga, Thermoactinomyces, Clostridium thermocellum), el cual no solo tiene interés desde el punto de vista del empleo de microorganismos celulíticos sino también del empleo de especies combinadas que puedan utilizarse hexosas y las pentosas. (Herrera, 1981)
Cultivo mixto cubano de dos levaduras: (Sánchez, 1986)
Un mutante termo tolerante de Kluyveromyces fragilis C – 45 y una cepa de Saccharomyces cerevisiae adaptada. El cultivo se trabajó a escala de laboratorio, planta piloto y se encuentra aplicado en la actualidad industrialmente.
Ventajas:
Se obtienen mayores % alcohólicos al compararse con cepas independientes.
Se acortan los ciclos de fermentación.
Se aumenta la producción de alcohol etílico.
Empleo de otros sustratos.
En diferentes partes del mundo sé está trabajando en otras formas o metodologías para obtener alcohol etílico a partir de sustratos amiláceos y celulósicos.
Sobre estos sustratos se están aplicando otros microorganismos no sólo los de la fermentación tradicional como levaduras, si no también se están utilizando bacterias como Zymomona mobilis para producir etanol a partir de hidrolizados de celulosa, obteniendo mayor productividad que si se emplea una levadura. Este procedimiento solo se ha probado a escala de laboratorio.
También de forma experimental se están utilizando hongos filamentosos para producir etanol combustible.
De forma experimental también sé esta simultaneando la sacarificación y la fermentación, utilizando levadura Saccharomyces cerevisiae y enzimas de celulosa:
Celulasa.
Celobiosa.
Este simultáneo se produce teniendo preparados de coníferas como sustrato. Como todo proceso de simultáneo de sacarificación y fermentación tiene ventajas y desventajas:
Ventajas:
Aumento de la productividad por la acción de levaduras teniendo en cuenta la temperatura y el pH óptimo.
Desventajas:
Riesgo de contaminación, lo que hace difícil el sistema continuo de simultáneo de sacarificación y fermentación.
La recirculación de las levaduras se hace muy difícil, debido a la dificultad al separar las levaduras de la lignina. (Kerstin and colbs)
Existe un reporte de las operaciones desarrolladas para la sacarificación enzimática de la paja de cebada, de 2004 por María del Prado García de España.
Empleo de enzimas.
En la degradación de glucosa a etanol intervienen dos enzimas fundamentales:
Piruvato descarbóxilasa.
Alcohol deshidrogenasa.
Para los sustratos de orígenes celulósicos y amiláceos se está utilizando la hidrólisis enzimática donde se conoce que intervienen las enzimas:
Celulasas.
Hidrolasa.
Entre las enzimas de la celulosa las más importantes son:
Endoglucanasa.
Exoglucanasa.
Glucosidasa.
La enzima endoglucanasa lo mismo actúa en la cadena de glucosa soluble e insoluble.
La enzima Exoglucanasa incluye:
Glucohidrolasas.
Liberan perfectamente glucosa monomera desde el final de la cadena de la celulosa.
Celobiohidrolasa.
Perfectamente liberan celobiosa desde el final de la cadena de la celulosa.
ß- Glucosidasa.
Libera D – glucosa desde la celobiosa dimera y la celodextrinas solubles.
Hoy en día es una tendencia muy moderna la utilización de la hidrólisis enzimática, ya que no son cancerígenas ni originan mutaciones.
En 2003 Novozymes Biotechnology han desarrollado enzimas que pueden degradar el material vegetal no tratado mediante un tratamiento ácido de biomasa procedente de maíz.
En Cuba también se viene trabajando en el desarrollo de la fermentación alcohólica tanto en el ICIDCA como en la CUJAE. (Sánchez, 1996, Navarro, 2003)
Conclusiones parciales.
Para los sustratos lignocelulósicos es necesario utilizar primeramente la fermentación sólida y luego la fermentación sumergida.
Empleo de materia prima lignocelulósica en la producción de bioetanol
Sustratos para la fermentación alcohólica.
Existen diferentes tipos de sustratos para la obtención de etanol. En dependencia de la región del mundo así será el tipo de sustrato a utilizar.
Los sustratos se clasifican en tres:
Sustratos azucarados.
Sustratos amiláceos.
Sustratos celulósicos o lignocelulósicos.
Sustratos azucarados.
En este grupo encontramos:
Miel final de caña de azúcar.
Mieles de remolacha.
Jugos de frutas.
Suero de leche.
Jugos de caña.
Los carbohidratos que componen este sustrato son monosacáridos y oligosacáridos, por lo que el sustrato puede ser fermentado directamente por los microorganismos productores de etanol. En Cuba como en la mayoría de los países tropicales la materia prima para la fermentación es la miel final de caña de azúcar, la cual es un sustrato fácil de biodegradar.
La composición de la miel final de caña es de casi 60 % por azúcares (sacarosa, glucosa y fructosa), presentan un pH ácido y contienen importantes componentes orgánicos. (Hernández et. al; 1986)
Sustratos amiláceos.
En este grupo encontramos:
Tubérculos.
Cereales.
Raíces.
Este tipo de sustrato contiene almidón, el cual no es fermentable directamente, por lo que requieren ser hidrolizados previamente por vía química o enzimática, con el fin de obtener azúcares que puedan ser fermentados por levaduras.
En países de clima templado la materia prima amilácea es la preferida para la producción de etanol. (Ingledew, 1995)
Sustratos lignocelulósicos.
Entre los residuos lignocelulósicos más comunes encontramos:
Residuos forestales.
Residuos agrícolas (provenientes de cultivos leñosos y herbáceos, entre ellos: bagazo, cogollo, paja de caña, meollo, bagacillo, etc.).
Pasta de papel.
Biomasa de cultivos lignocelulósicos.
Fracción orgánica de los residuos domésticos.
Una gran parte de los materiales con alto contenido de celulosa, susceptibles de ser utilizados como materia prima para la producción de etanol, se generan como residuos en los procesos productivos de los sectores agrícola, forestal e industrial. Los residuos agrícolas proceden de los cultivos leñosos y herbáceos y entre ellos hay que destacar los producidos en los cultivos de cereales y en algunos otros cultivos con utilidad industrial textil y oleica. La biomasa de origen forestal proviene de los tratamientos silvícolas y de mejora y mantenimiento de los montes y masas forestales. La biomasa de origen industrial son los generados en las industrias, como la papelera, y la fracción orgánica de los residuos sólidos industriales. Muchos de estos residuos no sólo tienen un valor económico en el contexto en el que se generan, sino que suelen provocar problemas ambientales durante su eliminación. (Martín, 2002)
Ventajas de los sustratos lignocelulósicos.
En Cuba tradicionalmente el etanol se ha producido por fermentación de materias primas azucaradas. Sin embargo; estas materias primas constituyen importante fuente de alimentos y su disponibilidad no es suficiente para cubrir la demanda potencial de etanol (Pimentel, 2001).
Cuando se usan sustratos azucarados y amiláceos la materia prima representa una parte significativa del costo total de producción de etanol (Claassen et. al; 1999, García et. al; 2000, Pimentel, 2001). Para reducir los costos es necesario utilizar materias primas más baratas. La producción de etanol en grandes cantidades será posible solamente si se emplean materiales lignocelulósicos, cuya abundancia y bajo costo son reconocidos (Olsso, 1994, Wheals et, al. 1999, Di Pardo, 2000, Tenborg, 2000).
El bagazo y los residuos agrícolas de la caña de azúcar son materiales lignocelulósicos que por su alto contenido de glúcidos, su bajo costo y su disponibilidad podrán ser una opción para la producción de etanol en Cuba. La mayor parte del bagazo producido en los centrales azucareros cubanos es usado para generar la energía necesaria en el proceso productivo. Sin embargo se ha confirmado que las demandas energéticas de los ingenios pueden ser satisfechas con prácticamente la mitad de su bagazo, quedando un sobrante factible de ser empleado en más de 40 aplicaciones demostradas, una de las cuales es la producción de etanol. La producción localizada del bagazo y la gran experiencia en su manipulación, transportación y almacenamiento disminuyen los riesgos inversionistas y lo hacen un material atractivo, en comparación con otros materiales lignocelulósicos (Triana et. al; 1990). El uso del bagazo para la producción de etanol contribuiría a la diversificación de la industria azucarera, una necesidad urgente para los países cuyas economías dependen de la producción de azúcar de caña. (Olguin y colbs, 1995, Reyes et. al, 1997, Almazán, 1999, Gálvez, 2000)
A pesar de las ventajas de los lignocelulósicos, las tecnologías existentes para la producción de etanol a partir de estas materias primas son complejas y costosas (Tenborg, 2000). Para ello, se requiere del desarrollo de nuevas variantes tecnológicas que permitan hacer de la conversión de los lignocelulósicos en etanol un proceso económicamente viable (Martín, 2002)
Estructura de la biomasa lignocelulósica.
La biomasa lignocelulósica presenta una estructura compleja, compuesta por fracciones que deben ser procesadas por separado para asegurar una conversión eficiente de este tipo de materiales a etanol.
Composición química de los materiales celulósicos.
(Leonovitch y Obolenskaja, 1988)
Figura 1. Composición química de los materiales lignocelulósicos.
Como podemos apreciar los materiales celulósicos tienen muchos componentes químicos pero los fundamentales a los efectos de la hidrólisis son:
Hemicelulosa.
Celulosa.
Lignina.
Hemicelulosas:
Son un grupo heterogéneo de polisacáridos, cuyo contenido varía entre 15 – 30 % de la masa seca de la madera (Sjostron, 1993). Las hemicelulosas son fácilmente hidrolizables por ácidos y sus monómeros componentes son de hexosa D – manosa, D – glucosa, D – galactosa, así como, las pentosas D – xilosa, L – arabinosa. Las hemicelulosas contienen además ácidos urónicos y grupos acetilo y metoxilo.
Las hemicelulosas de maderas blandas son ricas en manosas y tienen un contenido bajo de xilanos, mientras que las hemicelulosas de maderas duras son ricas en xilanos y contienen cantidades limitadas de manosas. Además las hemicelulosas de las maderas duras contienen un mayor número de grupos acetilos que las de las maderas blandas (Sjostron, 1993). Las hemicelulosas de los desechos agrícolas son cercanas por su contenido a las hemicelulosas de las maderas duras (Leonovitch y Obolenskaja, 1988)
Celulosa.
Principal componente de las paredes celulares de las plantas superiores. El contenido de celulosa varia entre 36 – 51 % de la masa seca (Olsson, 1994). La celulosa es un homopolisacárido lineal, cuya unidad estructural es la celobiosa, que a su vez esta formada por 2 unidades de D – glucosa unidas por un enlace glicosídico ß – 1,4 (Leonovitch y Obolenskaja, 1988, Sjostrom, 1993, Katzen et. al; 1995).
Debido a la formación de enlaces de hidrógeno entre macromoléculas vecinas de celulosa, éstas se encuentran empacadas en unidades mayores llamadas micro – fibrillas, formando así una configuración muy estable, con un grado de cristalinidad muy alto y una gran resistencia a la hidrólisis. Cada micro – fibrilla esta formada por 30 – 50 cadenas y está rodeada por hemicelulosas y lignina (Leonovitch y Obolenskaja, 1988, Sjostrom, 1993).
Lignina.
Es un polisacárido extremadamente complejo formado por unidades de fenilpropano unidas en una estructura tridimensional. Los monómeros de la lignina son las unidades p- hidroxifenílicas derivadas del alcohol p – cumarílico en los desechos agrícolas, las unidades guayacílicas derivadas del alcohol coniferílico en las maderas blandas y las unidades sirigílicas derivadas del alcohol sinapílico en las maderas duras(Leonovitch y Obolenskaja, 19988, Sjostrom, 1993).
Obtención de etanol a partir de lignocelulósicos
Son diversos los métodos que se han desarrollado en el mundo para degradar y transformar los materiales celulósicos en productos que puedan servir como sustrato de fermentación y obtener proteínas de consumo animal o humano, alcohol u otros productos, como glucosa, xilosa, furfural, hidroximetilfurfural, derivados de lignina, etc. Los que han prevalecido, debido a sus mejores características han sido la hidrólisis ácida seguida de la fermentación con levaduras y los tratamientos alcalinos oxidativos con posterior fermentación microbiológica o hidrólisis enzimática.
Hidrólisis de las materias primas lignocelulósicas.
La hidrólisis es la descomposición química utilizando agua u otro reactivo químico sobre la sustancia, que se desea hidrolizar.
La industria hidrolítica existe hace algunos años y fue en Europa donde primero se desarrollo, pero a partir de la segunda guerra mundial se han desarrollado procesos de hidrólisis química de la madera y residuos forestales en diversos países del mundo.
El alcohol etílico a partir de residuos lignocelulosicos se obtiene por hidrólisis. La hidrólisis puede ser:
Ácida.
Enzimática.
Hidrólisis ácida.
La hidrólisis ácida consiste en agregar ácidos orgánicos e inorgánicos concentrados o diluidos al proceso.
Los procesos de obtención de etanol a partir de biomasa lignocelulósica que utilizan catalizadores ácidos permiten, en condiciones adecuadas de presión y temperatura, una solubilización de la hemicelulosa y la celulosa, quedando prácticamente inalterada la lignina. A temperaturas superiores a los 200 °C aparecen productos de descomposición de los azúcares, por lo que no pueden obtenerse rendimientos muy altos. Además, estas sustancias son inhibidoras del proceso fermentativo por lo que, deben eliminarse del hidrolizado antes de realizar la fermentación.
Los métodos industriales de hidrólisis ácida de la fracción celulósica se agrupan en dos tipos:
Los que emplean ácidos concentrados y bajas temperaturas.
Los que utilizan ácidos diluidos a temperaturas más altas.
De todos los ácidos inorgánicos posibles a utilizar en la hidrólisis ácida los que se utilizan en mayor medida son:
Ácido sulfúrico.
Ácido clorhídrico.
La hidrólisis con ácido sulfúrico concentrado es conocida desde 1819. El proceso Bergius emplea ácido clorhídrico concentrado (40 %) y fue usado comercialmente en Alemania durante la II Guerra Mundial.
La tecnología de hidrólisis percolativa con ácido sulfúrico diluido fue desarrollada por Scholler en 1926 y también fue empleada en Alemania durante la II Guerra Mundial (Katzen et. al; 1995).
En la ex – Unión Soviética la producción industrial de etanol por hidrólisis fue desarrollada por el profesor Sharkov en la Academia Forestal de Leningrado, se inició en 1935 y continúo ininterrumpidamente hasta el final del período Soviético. Esta tecnología consiste en la precolación de ácido sulfúrico diluido caliente a través de un lecho de astillas de madera empacadas en un digestor. Su principal inconveniente es que el colapso del lecho puede restringir severamente la velocidad del flujo de líquido (Khol´kin, 1989). El tránsito a la economía de mercado en la Federación Rusa ha obligado a cerrar o reorientar varias plantas hidrolíticas, aunque las más eficientes continúan produciendo etanol (Katzen et. al; 1995, Khol´kin et. al; 1999.
La hidrólisis percolativa del bagazo con ácido sulfúrico fue estudiada a escala industrial por científicos cubanos, en una planta hidrolítica en Bulgaria (Ocampo y Blanco, 1980)
A pesar de los altos rendimientos de hidrólisis que se obtienen con los procesos que utilizan ácidos concentrados, no existe ninguna planta industrial operando con este sistema, por su falta de rentabilidad, un ejemplo de esto es Japón, donde se le ha dado preferencia a la hidrólisis ácida con ácidos concentrados, montándose instalaciones pilotos que han resultados complicados y poco económicos. (Martin, 2002)
Alternativa.
Hoy en día la hidrólisis con ácidos diluídos a modo de alternativa se realiza en 2 etapas.
En la I etapa ocurre la hidrólisis de las hemicelulosas en condiciones relativamente suaves.
En la II etapa, bajo condiciones más severas ocurre la hidrólisis de las celulosa.
Este método permite rendimiento de Xilosa, Galactosa, Monosa y Arabinosa entre 70 – 98 % pero los rendimientos de Glucosa siguen siendo bajos.
Los problemas mencionados en los procesos ácidos se evitan si se utiliza en el proceso una hidrólisis enzimática. Para ello, es necesario realizar un pretatamiento de la biomasa lignocelulósica que altere la compleja estructura de este tipo de materiales, facilitando así la acción de los enzimas celulolíticas. La dificultad está en que la cristalinidad de las moléculas de celulosa, y la naturaleza de su asociación con la lignina, constituyen una verdadera barrera física a la penetración de los enzimas.
Hidrólisis enzimática.
La hidrólisis enzimática es un proceso catalizado por un grupo de enzimas denominadas genéricamente celulasas, que son en realidad, una mezcla de distintas actividades enzimáticas cuya acción conjunta produce la degradación de la celulosa. Las plantas superiores, algunos invertebrados y principalmente microorganismos (hongos y bacterias) son productores de este tipo de enzimas. Las celulasas de origen fúngico, principalmente de los géneros Trichoderma, Phanerochaete y Fusaruim, han sido las más estudiadas por la capacidad de estos microorganismos de producirlas en grandes
cantidades y de forma extracelular, facilitando su separación en los medios de cultivo.
El complejo celulolítico de hongos está formado por distintos componentes que actúan sinérgicamente. Este sistema enzimático tiene tres tipos diferentes de actividad cuya denominación y mecanismo de acción son los siguientes (Montenecourt y Eveleigh, 1979):
La celobiohidrolasa actúa sobre los extremos no reductores de la cadena generados por la endoglucanasa, liberando moléculas de celobiosa. Este enzima tiene actividad sobre celulosa cristalina y amorfa, y sobre celodextrinas, pero no actúa sobre derivados sustituidos ni sobre celobiosa. Este enzima constituye del 50-80% del complejo celulolítico.
La glucohidrolasa se encuentra en pequeña proporción y actúa sobre los extremos no reductores liberando unidades de glucosa. Tiene actividad sobre celulosa amorfa, celo-oligosacáridos y CMC.
La ß -glucosidasa hidroliza celobiosa y oligosacáridos de pequeño tamaño, y es absolutamente necesaria para evitar la fuerte inhibición que sobre las endo y exoglucanasas produciría la celobiosa si se acumulara en el medio de reacción.
Si se añaden celulasas al material lignocelulósico la hidrólisis de la celulosa es demasiado lenta, debido a la asociación de esta con la lignina que constituye una barrera física a la penetración de los enzimas. Otros factores como la porosidad (área superficial accesible), la critalinidad de la celulosa, el grado de polimerización y el contenido en lignina y hemicelulosa dificultan la accesibilidad de las celulasas reduciendo la eficiencia de la hidrólisis. Todos estos factores hacen necesaria una etapa de pretratamiento, previa a la hidrólisis de la celulosa, que altere la estructura del material lignocelulósico facilitando la acción de los enzimas.
Ventajas y desventajas de los procesos de hidrólisis.
1. Hidrólisis ácida con ácidos concentrados.
Los procesos que utilizan ácidos concentrados han adquirido un renovado interés debido a nuevos métodos que mejoran la economía de recuperación de los ácidos desarrollados por varias compañías como Masada Resource Group (Birmingham, Ala), Arkenol (Misión Viejo, California) y AP ACE (Australia) (Katzen, 1997).
Ventajas.
Altos rendimientos de hidrólisis (superiores al 90% de la glucosa potencial).
Desventajas.
La gran cantidad de ácido empleado en la impregnación del material a tratar.
Lo costoso de su recuperación.
Los efectos corrosivos de los ácidos concentrados que obliga a altas inversiones en los equipamientos.
Todo esto hace que el proceso no sea rentable.
Tiene el problema asociado de que es necesario una costosa etapa de neutralización antes de la fermentación.
2. Hidrólisis ácida con ácidos diluidos.
Este tipo de procesos operan a una temperatura de 240 ºC, una concentración de ácido de 1 % y un tiempo de reacción de 6-12 segundos. Aún así, bajo estas condiciones los mejores rendimientos alcanzados están en torno al 60% del rendimiento teórico (Wyman, 1996). Las temperaturas que se emplean en estos procesos originan, por un lado, una mayor corrosión de los equipos empleados y, por otro lado, aumenta la tasa de degradación de los azúcares hemicelulósicos los cuales pueden afectar a la posterior etapa de fermentación.
Ventajas.
Relativamente bajo consumo de ácidos.
Desventajas.
Se requieren relativamente altas temperaturas para alcanzar rendimientos aceptables de conversión de celulosa a glucosa.
El máximo rendimiento en glucosa se consigue a altas temperaturas y tiempos de residencia cortos.
Las altas temperaturas provocan la corrosión del equipamiento y la degradación de los azúcares, con formación de cantidades significativas de productos colaterales que puedes inhibir la fermentación.
3. Hidrólisis enzimática.
Ventajas.
Método selectivo.
Mayor rendimiento.
No hay formación de productos colaterales.
Menor consumo de energía.
Desventajas.
Requiere grandes reactores debido a la lentitud de la reacción.
Alto costo de enzimas.
Pretratamiento de la biomasa lignocelulósica
Antes de tratar la biomasa lignocelulósica será necesario pretratarla para hacer más factible el tratamiento.
Los objetivos fundamentales del pretratamiento van encaminados a:
1. Reducir la cristalinidad de la celulosa.
2. Disociar el complejo celulosa-lignina.
3. Aumentar el área superficial del material.
4. Disminuir la presencia de aquellas sustancias que dificulten la hidrólisis.
Un pretratamiento eficaz debe reunir otras características como:
5. Bajo consumo energético.
6. Bajos costos de inversión.
7. Utilización de reactivos baratos y fácilmente recuperables.
8. Debe ser aplicable a diversos substratos.
Tipos de pretratamientos.
Por su naturaleza, los pretratamientos se pueden dividir en cuatro grupos:
1. Físicos.
2. Físico-químicos.
3. Químicos.
4. Biológicos (Sun y Cheng, 2002).
Pretratamientos físicos.
1. Trituración mecánica:
La trituración de los materiales lignocelulósicos mediante una combinación de astillado y molienda, reduce la cristalinidad de la celulosa, aumenta la superficie específica y la densidad aparente, facilitando la hidrólisis posterior. Existen diferentes tipos de moliendas (molino de bolas, martillos, cuchillas, rodillos). Los molinos de bolas vibratorias se han mostrado más efectivos que los molinos de bolas ordinarios en
la reducción de la cristalinidad y aumento de digestibilidad de astillas de abeto y chopo
(Millet y colbs; 1976).
Desventaja:
Este tipo de pretratamiento tiene el inconveniente de su alto consumo energético que depende, tanto del tamaño final de partícula al que se muela el material, como del tipo de material a pretratar (Cadoche y López, 1989).
2. Radiación de alta energía:
Este tipo de irradiación rompe los enlaces ß -glucosídicos y los enlaces entre la celulosa y la lignina (Khan y colb; 1986).
Desventaja:
Este tipo de pretratamiento es de difícil aplicación técnica debido a la baja densidad de los materiales a tratar y las altas dosis requeridas que obligan al diseño de instalaciones muy complejas y de alto costo.
Pretratamientos físico-químicos:
1. Explosión por vapor:
El material lignocelulósico se somete a temperaturas entre 190-230 ºC, mediante la inyección directa de vapor saturado, durante un intervalo de tiempo entre 1 y 10 minutos. Tras el tiempo de tratamiento, se somete el material a una rápida despresurización. El efecto del pretratamiento sobre la biomasa es una combinación de alteraciones físicas (desagregación y ruptura de las fibras) y químicas (despolimerización y rotura de enlaces). El efecto mecánico está causado por la rápida despresurización que provoca una evaporación del agua interna, creando unas fuerzas de cizalladura que producen la separación de las fibras, principalmente de las regiones más débiles (celulosa amorfa). El efecto químico se debe a la hidrólisis de los restos acetilos de las hemicelulosas produciendo ácido acético, que a la temperatura del proceso, cataliza la hidrólisis de la hemicelulosa (autohidrólisis). Durante el tratamiento se destruyen parcialmente los enlaces lignina- carbohidratos. Como resultado, se obtiene un producto fibroso cuya celulosa es más accesible a la hidrólisis enzimática. La hemicelulosa sé despolimeriza en mayor o menor medida dependiendo de las condiciones del tratamiento, siendo fácilmente recuperada por lavado. La lignina, prácticamente sin alterar puede ser extraída y utilizada con diferentes fines.
Las variables más importantes en el pretratamiento de explosión por vapor son:
La temperatura.
El tiempo de residencia,.
El tamaño de partícula.
La humedad (Duff y Murray, 1996)
La explosión por vapor ha sido reconocida como un método muy efectivo para el
pretratamiento de maderas duras y residuos agrícolas. Este pretratamiento se ha aplicado a diferentes materiales como chopo (Ramos y colbs; 1992; Excoffier y colbs, 1991; Ballesteros y col., 1998, Oliva, 2003), eucalipto (Ramos y colbs; 1996), pino (San Martín y colbs, 1995, Ballesteros y colbs; 2000; Negro y colbs; 2003), paja de arroz (Moniruzzaman, 1995), residuos herbáceos (Ballesteros y colbs; 2002), residuos oleícolas (Fernández-Bolaños y colbs; 1998, 2001), bagazo (Martín y colbs; 2002) etc. Sin embargo, este pretratamiento se ha mostrado menos efectivo con las maderas blandas, debido a su estructura mucho más rígida y su mayor contenido en lignina. Además, el contenido de grupos acetilados es mucho menor que en las maderas duras, con lo que el proceso de autohidrólisis no ocurre en la misma medida. En el caso de las maderas blandas es deseable añadir un catalizador ácido. El ácido sulfúrico ha sido el más estudiado por su costo y efectividad (Torget y colbs; 1990, 1991, 1996, Nguyen y colbs; 1998, 1999, 2000, Tenborg y colbs; 1998). El SO 2 también ha sido empleado en numerosos trabajos (Clark y Mackie, 1987, Clark y colbs; 1989; Ramos y colbs; 1996, Stenberg y colbs; 1998, 2000). Tiene la ventaja de no ser tan corrosivo como el sulfúrico y es fácil y rápido de introducir en el material.
Su principal desventaja es su alta toxicidad. Una diferencia muy importante que se produce al utilizar en el pretratamiento uno u otro catalizador es la diferente fermentabilidad de las fracciones obtenidas tras el pretratamiento. Así, el material obtenido tras el tratamiento con sulfúrico muestra una baja fermentabilidad, debido a las
altas concentraciones de productos tóxicos que se forman.
Ventajas del pretratamiento con explosión por vapor:
Entre las ventajas del pretratamiento con explosión por vapor debe citarse que el tamaño de partícula del material requerido (15-30 mm) es considerablemente superior a los utilizados en otros pretratamientos, reduciéndose costos en la molienda (Ballesteros,
2000). Además, no emplea catalizadores ácidos (en el caso de las maderas duras) con lo
que se reducen los efectos medioambientales.
Desventajas del pretratamiento con explosión por vapor:
Entre sus limitaciones se encuentran:
1. La destrucción de una parte de los Xilanos de las hemicelulosas.
2. La incompleta rotura de la matriz lignina-carbohidratos.
3. La generación de compuestos que pueden resultar tóxicos para los
microorganismos empleados en el proceso de fermentación tras la hidrólisis enzimática.
Debido a la formación de estos compuestos, el material pretratado debe ser lavado con agua para eliminar estos productos inhibitorios (McMillan, 1994).
Para maximizar la recuperación de azúcares en el pretratamiento de explosión por vapor se requieren diferentes condiciones de pretratamiento para la recuperación de los azúcares celulósicos y hemicelulósicos. Algunos autores (Stenberg y colbs; 1998 y Tenborg y colbs; 1998) han sugerido un pretratamiento en dos etapas empleando sulfúrico en condiciones suaves en una primera etapa, seguido de una impregnación con
SO2 bajo unas condiciones más severas. De esta forma es posible conseguir un incremento de un 7% en el rendimiento global de azúcares después de la hidrólisis enzimática comparándolo con los procesos en una etapa.
La explosión por vapor en dos etapas tiene una serie de ventajas como son:
Mayor rendimiento en etanol.
Mejor aprovechamiento de la materia prima.
Menor consumo de enzimas en la fase de hidrólisis.
Sin embargo, es necesario una evaluación económica para determinar si estas
ventajas justifican una explosión a vapor adicional (Galbe y Zacchi, 2002).
2 Proceso de explosión por vapor con amoniaco (AFEX):
Es un proceso similar a la explosión por vapor en el que el material es impregnado con amoniaco líquido (1-2 kg amoniaco/ kg biomasa seca) a una temperatura en torno a los 90 ºC, y un tiempo aproximado de 30 minutos. Transcurrido este tiempo el material es sometido a una rápida descompresión (Sun y Cheng, 2002).
Este tipo de pretratamiento ha sido empleado con diferentes tipos de sustratos como alfalfa, paja de trigo (Mes-Hartree y colbs; 1988), astilla s de chopo (Tengerdy y Nagy, 1988), bagazo (Holtzapple y colbs; 1991), residuos sólidos urbanos, papel residual (Holtzapple y colbs; 1992) y paja de cebada y arroz (Vlasenko y colbs; 1997). La diferencia con la explosión por vapor y otros tipos de pretratamiento ácidos, es que en este proceso no se solubiliza la hemicelulosa. La composición del material sometido a un proceso AFEX es prácticamente la misma que la del material original. Utilizando materiales con bajo contenido en lignina (hasta un 15%), se han obtenido rendimientos de hidrólisis de la celulosa y hemicelulosa del 90%, después del pretratamiento.
Desventajas del pretratamiento de explosión por vapor con amoníaco:
Este proceso no es tan efectivo con biomasas con un mayor contenido en lignina. En estos casos los rendimientos de hidrólisis posteriores han sido inferiores al 50% (McMillan, 1994).
Ventajas del pretratamiento de explosión por vapor con amoníaco.
Como ventajas del proceso pueden citarse:
No se producen inhibidores que puedan afectar a las posteriores etapas del proceso de producción de etanol.
No requiere pequeños tamaños de partícula para aumentar su eficiencia.
Nota: Con objetivo de reducir costos y como medida protectora del medioambiente, el amoníaco debe ser reciclado después del pretratamiento.
3. Explosión con CO2.
Es un proceso similar a la explosión por vapor o al proceso AFEX. La explosión con dióxido de carbono se basa en el hecho que el CO2 forma ácido carbónico, lo que aumenta la tasa de hidrólisis. Este proceso ha sido empleado en el pretratamiento de alfalfa, obteniendo un rendimiento de hidrólisis del 75% a las 24 horas (Dale y Moreira,
1982). Aunque los rendimientos obtenidos son relativamente bajos comparados con la explosión por vapor y el proceso AFEX los estudios realizados con bagazo de caña y papel reciclado, demostraron que este proceso es más barato que la explosión con amoniaco y no origina los compuestos inhibitorios que se originan durante la explosión por vapor (Zheng y colbs; 1998).
Pretratamientos químicos.
El objetivo de estos pretratamientos es solubilizar la fracción de lignina y modificar la estructura de la celulosa facilitando la acción de las enzimas. Entre los pretratamientos químicos se encuentran lo s tratamientos con agua caliente líquida, oxidación húmeda, ozono, álcalis, ácidos, organosolventes y agentes oxidantes.
1. Tratamiento con agua caliente líquida:
Temperatura de 220 ºC durante un tiempo determinado (Van Walsun y colbs; 1996). Él reactor debe estar presurizado para mantener el agua en estado líquido. Durante este pretratamiento se recuperan la mayoría de los pentosanos (Negro y colbs; 2003) y sé obtiene un hidrolizado que no muestra inhibición en el posterior proceso de fermentación (Laser y colbs; 2002).
2. Oxidación húmeda:
El material lignocelulósico, se somete a la acción de agua a elevadas temperaturas, en presencia de oxígeno (Schmidt y Thomsen, 1998).
Ventajas del pretratamiento:
Este tratamiento tiene la ventaja de no generar prácticamente productos de degradación como el furfural HMF (Klinke y colbs; 2002, Varga y colbs; 2003).
3. Tratamientos con ozono
El ozono ha sido utilizado para degradar la lignina y la hemicelulosa de numerosos materiales lignocelulósicos como paja de trigo, bagazo, pino, algodón y serrín de chopo (Vidal y Molinier, 1988). La degradación se limita fundamentalmente a la lignina ya que la hemicelulosa es atacada ligeramente y la celulosa apenas si se ve afectada.
Ventajas del pretratamiento:
El tratamiento con ozono tiene una serie de ventajas como:
La eliminación efectiva de la lignina.
No origina productos tóxicos que afecten a los procesos posteriores.
La reacción se produce a una temperatura ambiente y presión atmosférica.
Desventajas del pretratamiento.
Sin embargo, la gran cantidad de ozono empleado hace de este proceso un método caro.
4. Hidrólisis con álcalis:
El tratamiento con NaOH diluida produce un hinchamiento de la biomasa, lo que conduce a un aumento del área superficial interna, un descenso de la cristalinidad, una separación de las uniones estructurales entre la lignina y los carbohidratos y una rotura de la estructura de la lignina. El mecanismo de la hidrólisis alcalina de la biomasa parece estar basada en la saponificación de los enlaces ésteres intramoleculares que unen los xilanos de la hemicelulosa y otros componentes, como por ejemplo la lignina, u otros componentes de la hemicelulosa (Sun y Cheng, 2002). La efectividad de este se ha conseguido aumentar la digestibilidad de sustratos como paja con un contenido de lignina del 18% (Bjerre y colbs; 1996) y de maderas duras, pero no de maderas blandas con un contenido de lignina superior al 26% (Millet y colbs; 1976).
5. Tratamiento con organosolventes.
Se emplea una mezcla de solventes orgánicos o acuosos junto con un catalizador ácido (clorhídrico o sulfúrico) para romper los enlaces internos de la lignina y la hemicelulosa. Entre los solventes orgánicos empleados en el proceso se encuentran:
Metanol.
Etanol.
Acetona.
Etilenglicol (Thring y colbs; 1990).
También pueden emplearse ácidos orgánicos como el ácido oxálico, acetilsalicílico y salicílico.
Con objetivo de reducir costos y de evitar problemas en la posterior etapa de fermentación se deben reciclar los solventes.
Pretratamientos biológicos.
En este tratamiento el material lignocelulósico se somete a la acción de determinados microorganismos, como los hongos de la podredumbre blanca, marrón o blanda. El objetivo es degradar la lignina y la hemicelulosa, eliminando las barreras que protegen la celulosa y haciéndola más accesible al posterior ataque enzimático. Los hongos de la podredumbre marrón atacan principalmente la celulosa, mientras que los de la podredumbre blanda y blanca atacan la celulosa y la lignina. Los de la podredumbre blanca se han mostrado como los más efectivos en el tratamiento biológico de los materiales lignocelulósicos (Fan y colbs; 1987).
Ventajas del pretratamiento biológico:
Las ventajas del pretratamiento biológico son:
El bajo requerimiento energético.
Las suaves condiciones ambientales en la que se produce el proceso.
Desventajas del pretratamiento biológico:
Como inconveniente debe citarse:
La tasa de hidrólisis es demasiado lenta.
Entre todos los hongos estudiados destaca el de la podredumbre blanca Phanerochaete chysosporium, que durante el metabolismo secundario en respuesta a limitaciones de carbono y nitrógeno, produce enzimas como la lignina peroxidasa y la peroxidasa dependiente de magnesio que degradan la lignina (Boominathan y Reddy, 1992).
Microorganismos a utilizar en la hidrólisis enzimática
En la actualidad se conocen muchas especies de microorganismo que pueden utilizar los materiales lignocelulósicos como fuente de carbono y energía para realizar su metabolismo. Las celulasas son sintetizadas por una variedad de microorganismos entre los que se encuentran las bacterias (Han and Callihan, 1997, Okeke and Paterson, 1992) y hongos (Gutiérrez y colbs, 1989, Barbosa and Queiroz, 1996, Castellanos et. al; 1999), cuando crecen en sustratos lignocelulósicos. Sin embargo, relativamente pocos microorganismos pueden producir el grupo de enzimas necesarias para la degradación de celulosa cristalina, los hongos son los organismos más estudiados con respecto a la degradación de celulosa y producción de celulasas (Couri y colbs, 2000).
En diferentes partes del mundo sé esta trabajando en otras formas o metodologías para obtener alcohol etílico a partir de sustratos celulósicos.
Hongos.
En los últimos en la India se ha realizado estudios de hidrólisis enzimática del bagazo usando celulasa del género:
Trichoderma reseei.
Trichoderma viride.
Aspergillus ustuss.
Myceliophthora rolfsii.
En Cuba se han realizado experimentos, sobre la producción de celulasas de Aspergillus niger (García, 2006) y Aspergillus terreus, en residuos de cosecha de caña de azúcar.
Los hongos son responsables de la mayor proporción de celulasas en la naturaleza y su primicia no es solamente consecuencia de la eficiencia y diversidad de sus sistemas celulósicos, sino que también poseen ventajas adaptativas como:
La rápida colonización de los sustratos.
Eficiente remoción de los productos de hidrólisis.
Estas características los distinguen de los demás organismos como los principales descomponedores de materiales lignocelulósicos (Ramos y Forchiassin, 1996).
Las especies de hongos celulíticas más frecuentemente estudiadas pertenecen al genero Trichoderma por ser los mejores productores de celulasas.
El hongo Trichoderma reseei (viride) es el mejor productor de celulasa extracelular, por lo que la mayoría de los estudios concernientes a la naturaleza, modo de acción y aspectos en general de las celulasas han sido realizados usando este microorganismo (Mohagheghi et. al. 1990, Maheswari et. al. 1993). La preferencia por esta especie se basa en el hecho de que produce endo y exoglucanasas muy efectivas en comparación con los restantes (Vilches, 2002).
Los principales problemas para el desarrollo de bioprocesos con T. reseei son:
El escalado de la producción de enzimas, debido a la transferencia de oxigeno en el micelio.
Pobre mezcla y baja actividad enzimática.
También de forma experimental se están utilizando hongos filamentosos para producir etanol combustible.
Bacterias.
En Estados Unidos, en Louisiana con tecnología Katzen se construye una planta que utilizará la E.coli. KO11
Sobre este sustrato se están aplicando otros microorganismos no sólo los de la fermentación tradicional como levaduras, si no también se están utilizando bacterias como Zymomona mobilis para producir etanol a partir de hidrolizados de celulosa, obteniendo mayor productividad que si se emplea una levadura. Este procedimiento solo esta a escala de laboratorio.
Sé esta empleando la bacteria Zymomona mobilis para producir bioetanol.
Al comparar la Zymomona mobilis con la Saccharomyces cerevisiae se obtiene una productividad tres veces mayor para la Zymomona mobilis usando concentraciones de glucosa de 150 g/l o más bajas, ofreciendo resultados en cuanto a:
Rendimiento.
Concentración de sustrato.
Concentración de producto.
Perfil de pH.
Perfil de temperaturas.
La operación de las columnas.
Al utilizar la Zymomona mobilis en fermentaciones a templa donde mantiene la viabilidad de la bacteria, durante la producción de alcohol etílico hay:
Buen rendimiento.
Acortamiento en los ciclos de fermentación:
Al comparar con las fermentaciones de las levaduras (Doménech, 2006).
Levaduras.
De forma experimental también sé está simultaneando la sacarificación y la fermentación, utilizando levadura Saccharomyces cerevisiae y enzimas de celulosa:
Celulasa.
Este simultáneo se produce teniendo preparados de coníferas como sustrato (del Prado, 2004).
Fuentes de material lignocelulósico de la industria alcoholera
El bagazo de caña de azúcar es la principal fuente de materia prima lignocelulósica en muchos países tropicales, disponibles en los centrales azucareros sin un costo adicional, ya que los costos de cultivo, transportación y almacenamiento son cubiertos por la producción del azúcar (Teikeira et. al, 1999).
Usos del bagazo.
El bagazo es un residual cuyo principal uso es para generar la energía requerida en las fábricas de azúcar lo que representa un considerable ahorro de divisas para el país.
Hasta ahora la estrategia del país ha sido producir grandes volúmenes de bagazo para producir energía asociada a la fabricación de azúcar.
Si se combinan las alternativas factibles a usar en la generación y uso del vapor, es posible de lograr con bajas inversiones satisfacer las necesidades energéticas de los ingenios con aproximadamente la mitad del bagazo producido (Lodos y Cordobés, 1987, Paturau, 1988, Triana et. al. 1990, Suárez, 1994, Valdés et. al. 2000 y de Armas 2000).
En 1994 Nogueira y Zarpelon demostraron convincentemente la factibilidad práctica de ahorrar grandes cantidades de bagazo.
El bagazo sobrante podrá ser empleado como materia prima para otras industrias, entre ellas la del etanol.
Características generales.
La caña de azúcar (Saccharum officinarum) es una gramínea prodigiosa con una elevada eficiencia en la fotosíntesis que le permite obtener hasta 85 t de biomasa seca por hectárea de cultivo (Gálvez y Gálvez 2000), por lo que constituye una fuente inagotable de alimentos, energía y materias primas para la industria y ha sido tradicionalmente la base económica de Cuba y otros muchos países tropicales. Como los precios del azúcar en el mercado mundial han estado deprimidos por largos tiempos, la diversificación de la industria azucarera es un requerimiento urgente de los países exportadores de azúcar (Olguin et. al. 1995, Clarke y Edye, 1996, Reyes et. al. 1997, Almazán 1999, Gálvez, 2000).
El bagazo es un residuo separado después de la extracción del jugo de la caña de azúcar y es el principal subproducto de la industria azucarera (Banerjee y Pandey, 2002).
Por cada 100 t de caña procesada para la producción de azúcar se obtienen alrededor de 28 t de bagazo y 20 t de residuos agrícolas (Suárez, 1994, Gálvez, 2000), por cada millón de tonelada de azúcar producido se originan 2.5 – 2.3 millones de toneladas de bagazo y residuos agrícolas (Valdés, 1999).
Composición química.
El bagazo y los residuos de la cosecha de la caña de azúcar contienen alrededor de un 70 % de carbohidratos. Los reportes de la literatura indican que el bagazo contiene 41 – 52 % de celulosa, 25 – 30 % de pentosas y 18 – 25 % de lignina, por lo que su composición química es más cercana a la de las maderas duras (Martín y Obolenskaja, 1988, Noa et. al. 1991, Gastón et. al. 2000, Banerjee y Pandey, 2002).
Después de las glucosas, los Xilanos son carbohidratos más importantes del bagazo. La xilosa representa un tercio del contenido de azúcar en los hidrolizados de bagazo (Plus, 1993).
Conclusiones
Todo lo antes expuesto nos permite llegar a las siguientes conclusiones:
Los materiales lignocelulósicos constituyen un sustrato con potencialidad para producir bioetanol en grandes cantidades a bajos costos.
El bagazo es la principal materia prima a considerar en los países productores de caña de azúcar, pero se requieren de profundas inversiones para que el proceso sea económico.
Se debe emplear la hidrólisis enzimática como vía más apropiada para degradar los materiales lignocelulósicos.
Se deben utilizar los pretratamientos físicos (trituración mecánica), luego los pretratamientos físico – químicos (exposición con vapor) y por ultimo el pretratamiento biológico.
Los microorganismos más idóneos para la degradación del material lignocelulósico son: los hongos del género Trichoderma y Aspergillus, y del género bacteria la Zymomona mobilis.
Bibliografía
1. Almazán, O. The process of diversification in the sugar indudtry.1999. specialized lecture. University of Mauritius. Port Louis, Mauritius.
2. Ballesteros, I; M, Ballesteros, A, Cabañas, J, Carrasco, C, Martin, M. J, Negro, F, Saez, & R, Saez. Selection of termotolerant yeast for Simultaneous Saccharifications and Fermentation (SSF) cellulose to ethanol. 1998. Apply. Biochem. and Biotech.
3. Ballesteros, I. Obtención de etanol a partir de biomasa lignocelulósica mediante un proceso de Sacarificación y Fermentación Simultanea (SFS). 2000. Tesis doctoral. Universidad de Alcalá de Henares.
4. R, Banerjee, A, Pandey. Bio – industrial application of sugarcane bagasse: A technological perspective. 2002. Int. Sugar J, 104, 64 – 68.
5. Barbosa, E & de Queiroz. Cellulolytic fungi isolated from processed oats. 1996. Rev. de Microbiología, Sao Paulo. 27 (1), 7 – 9.
6. Biotechnology and Bioengineering Symposium. Univ. de Arkansas. 1995.
7. Bjerrea, B; A.B, Olesem, & T, Fenigist. Pretreatment of strausing combined at oxidation and hemicellulose. 1996. Biotech. Bioeng.
8. Boominathan, K & C.A, Reddy. MPmediated deferential regulation of lignin peroxidase and manganese dependent peroxidase production in the literot basidiomycete Phanerochaete chrysos porium. 1992. Prac. Natl. Acad. Sci.
9. Cadoche, L & G.D, López. Assassment of side reduction as a preliminary sep in the production of ethanol from lignocellulosic wastes. 1989. Biol. Wastes. 93.
10. Castellanos, P; A, Lancho, M, Rengifo, y L, Vilches. Biosíntesis de celulosa: Aislamiento de cepas celulíticas. 1999. VIII Reunión científica del ICBAR, Lima pag. 67.
11. Clark, T. A & K.L, Makie. Fermentation inhibitors in wood hidrolysates derived from the softwood Pinus radiata. 1987. J. Chem. Techn. Biotech.
12. Clark, T. A & K.L, Makie, P. H, Dare, & A.G, McDonald. Steam explosion of the softwood Pinus radiata in the sulphuric dioxide addition II. 1989. J. Wood Chem. Techn.
13. Clarke, M.A; L.A, Edye,. Sugar beet and sugarcane as renewable resources. 1996. Agric. Mat. Renewable Resource, 647, 229 – 247.
14. Claassen, P. A; L, Sijtsma,A.J.M, Stams, S.S,de Vries, R.A,Weusthuis. Utilisation of biomass for the supply of energy carriers. 1999. Appl. Microbiol. Biotechnol. 52, 741 – 745.
15. Couri, S; S, da Costa, G,Saavedra, S, Pereira, S y A, da Costa. Hydrolytic enzyme production in solid – state fermentation by Aspergillus niger 3T5B8. 2000. Process Biochemistry 36, 255 – 261.
16. David, E. Producción de alcohol etílico. 1986. CENCA.
17. del Prado García Aparicio, María. Sacarificación enzimática de paja de cebada. Departamento de energía. División de Energías Renovables. Unidad de Biomasa. Primera Jornada Anual de Becarios. 2004.
18. di Pardo, J. Outlook for biomass ethanol production and demand. 2000. Disponible en www. Eia.doe.gov/oiaf/analysispaper/biomass.html.
19. Doménech, F. Tendencias de las investigaciones y el desarrollo en la producción de etanol. 2006. Taller internacional sobre producción y usos del etanol. IX Congreso Internacional Diversificación 2006. ISBN – 959 – 7165 – 20 – 1.
20. Duff, J. B & W.D, Murray. Bioconversion of forest products industry waste cellulosic to ethanol. 1996. Bioresource Techn.
21. Dustet J. C. Conferencias sobre Ingeniería de la Fermentación. CUJAE – CIGB. VI Edición Maestría en Ingeniería Alimentaría. 2006
22. Enciclopedia Encarta, 2002.
23. Epchtein, Y. B; L.N, Kraev. Tecnología de la hidrólisis percolada de la Madera. 1990. Editorial Producciones forestales, Moscú.
24. Excoffier, G; B, Toussaint, & M.R, Vignon. Saccharification of steam exploded poplar wood. 1991. Biotech. Bioeng, 8
25. Fan, L.T; Y.H, Lee, y M, Gharpuray. Biotechnology Monographs – Cellulose Hydrolysis. 1987. Vol. 3 New York: Springer.
26. Fernández – Bolaños, J; B, Felizon, M, Brenes, R, Guillén, & A, Heredia. Hidrogosol y tirozol as the main compounds stones: hemicellulose solubilization and enchancement of enzymatic hydrolysis. 1998. Bioresours Techn.
27. Fernández – Bolaños, J; B, Felizón, R, Guillén, A, Jimenez, R, Rodriguez, & A, Heredia. Steam explosion of olive stones: hemicellulose solubilization and enchancenment of enzymatic hydrolysis of cellulose. 2001. Bioresour. Techn.
| Página siguiente |