“Obtención de biobutanol a partir de material lignocelulósico. Procesos, microrganismos y aplicaciones”

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA

Departamento de Biotecnología[pic 1]

TRABAJO     DE     INVESTIGACION

“Obtención de biobutanol a partir de material lignocelulósico.

 Procesos, microrganismos y aplicaciones”

Profesor

•  Gustavo Faundez

Alumnos

-        Constanza Enriquez  

-        Alonso Bravo

-        Kevin Calderon

-         Sebastian  Rocha

17 julio, 2019

1.        Introducción

        Actualmente existe una gran preocupación a nivel mundial, por las reservas de petróleo, causado por el consumo excesivo de productos derivados de él, especialmente combustibles destinado al transporte, de igual manera la preocupación por los impactos negativos al medio ambiente, debido al uso de combustible fósiles [1].

        Frente a lo anterior, se están estudiando y desarrollando diferentes alternativas para producir energía, que sean renovables, y especialmente amigables con el medio ambiente, que permitan reemplazar en un corto y mediano plazo la dependencia del consumo de derivados del petróleo que actualmente es la principal fuente de energía, aproximadamente un 35 % del consumo de energía a nivel mundial, especialmente utilizada en transporte en industria [2].

        Entre las alternativas, está el desarrollo y producción de biocombustibles, derivados de procesos donde se utiliza la biomasa vegetal recomo principal materia prima renovable.  En la actualidad los principales biocombustibles producidos son el etanol combustible y biodiesel, que se producen a partir de azucares y almidones provenientes principalmente de materias primas como caña de azúcar y granos para etanol y aceite vegetal para la producción de biodiesel [1,3]. Lo anterior, es también es un problema, considerando las necesidades de alimentos de una población mundial en crecimiento, ya que estos procesos utilizan suelos agrícolas, derivando su producción a estos productos (biocombustibles), y no a la producción de alimentos para el consumo de las personas [3].

        Una alternativa en desarrollo, es la utilización de material lignocelulósico y otros desechos de origen vegetal, para la producción de biobutanol como alternativa para la producción de biocombustibles, mediante procesos de fermentación, en especial la fermentación ABE, llamada así, porque se produce acetona-butanol-etanol, proceso de fermentación mediado por especialmente por microrganismos del genero Clostidia [4].

2.        Biobutanol como biocombustible

El biobutanol, en especial el n-butanol (C4H9OH), es considerado como una interesante alternativa como sustituto a la gasolina. Tiene propiedades de combustible muy superiores al etanol y casi a la par con la gasolina, el valor energético del butanol es (29,2 MJ/L), el etanol (21,2 MJ/L) y la gasolina es (32,5 MJ/L), además de su alto contenido de energía, baja presión de vapor que permite su uso en tuberías de transporte de gasolina existentes y estaciones de llenado sin remodelación considerable, además de naturaleza no higroscópica, es flexible a mezclas de combustibles y tiene un alto índice de octano [5].

 Comparado con etanol, es menos oxigenado (22% de oxigeno) respecto al (35% de oxigeno) del etanol, lo que implica mayor energía molecular, no es sensible al agua, menor corrosividad, menor inflamabilidad y menor toxicidad para la exposición física. Las preocupaciones sobre la contaminación y el calentamiento global han renovado un interés común en La producción biológica de butanol como combustible alternativo.

3.        Material lignocelulósico

        Mediante el proceso de fotosíntesis, las plantas y árboles, utilizan la energía de la luz solar para sintetizar glucosa, de acuerdo a la siguiente ecuación.  

Esta sustancia, es componente de la celulosa y hemicelulosa, que consisten en hidratos de carbono polimerizados (polímeros de glucosa), las fibrillas de celulosa se encuentran unidas por una matriz formada por lignina y hemicelulosa, cuya principal función es dar estructura y protección mecánica a las plantas y actuar como una barra natural a la degradación microbiana, encontrándose además otros componentes orgánicos en menor proporción.

Tabla 1.    Composición promedio de biomasa lignocelulósica (6)

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Figura 1. Estructura de la lignocelulosa.

Estructura de la pared celular y microfibrillas en la sección transversal; hebras de

moléculas de celulosa incrustadas en una matriz de hemicelulosa y lignina (6).

El material lignocelulósico, representa la más abundante fuente de carbono renovable y proporciona la base para el desarrollo de procesos para la producción de biocombustibles, como el biobutanol. Se estima que, a nivel mundial, la producción anual de biomasa lignocelulósica es de aproximadamente 1,3 x 1010 toneladas métricas, siendo principalmente de residuos agrícolas, residuos forestales, residuos de alimentos y residuos industriales, como residuos de papel y demolición de madera (6).

4.        Procesamiento del material lignocelulósico

        Por sus características, físicas y químicas, el material lignocelulósico, previa al proceso de fermentación, requiere procesos de pretratamiento, que permita   facilitar el acceso de las enzimas a la lignocelulosa, para esto se han desarrollado una serie de pretratamientos, todos con el mismo objetivo de facilitar el proceso de fermentación enzimática.  De esta manera, se disminuye el tamaño de la biomasa, moliendo o cortando en pequeños pedazos, aumentando el área de contacto. Posteriormente, la biomasa se trata con productos químicos capaces de disolver la lignina y parte de la hemicelulosa dejando más expuesta la celulosa para la hidrólisis enzimática para obtener azúcares fermentables (2, 6).

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[pic 5]Figura 2.        Cambios del material lignocelulósico posterior al proceso de pretratamiento (6).

        Entre los procesos de pretratamiento, podemos mencionar: pretratamiento con ácidos diluidos, con ácido fosfórico, alcalino, con solventes orgánicos, hidrotermico, etc.  

Si bien, estos procesos, que permiten una mayor cantidad de azucares fermentable disponibles, no son necesariamente el hidrolizado que produce la mayor cantidad de butanol, debido a la formación de inhibidores, hecho que influye en el resultado y rendimiento global del proceso.

Una estrategia segura para obtener un hidrolizado fermentable con el menor riesgo de contaminación por inhibidores es eliminar la hemicelulosa y / o la lignina de sólidos mediante un tratamiento previo de lavado obteniendo solo un hidrolizado rico en celulosa que sea fermentable con una mayor producción de solventes como butanol.

Como se mencionó anteriormente, los pretratamientos utilizados para la mejorar la producción de butanol a partir de material lignocelulosico, son significativamente diferente con respecto a la temperatura, el tiempo, el pH y el tipo de productos químicos y aditivos.

4.1        Tratamiento previo con ácido diluido

El pretratamiento con ácido diluido es uno de los pretratamientos preferidos que industrialmente se ha utilizado, para el aumento en la hidrólisis enzimática. Este tratamiento incluye exposición de la estructura lignocelulósica a ácidos, que en su en su mayoría son ácidos minerales, con menos del 1% de concentración a temperaturas relativamente altas.

El tratamiento previo con ácido diluido se puede utilizar con diferentes objetivos, como para una alta digestibilidad de la celulosa en un sólido pre tratado o una recuperación más alta de la hemicelulosa en la forma de azúcares y oligómeros

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