Producción rentable de celulosa bacteriana en cultivos estáticos utilizando el liquido residual de la destilación

La celulosa es un producto de uso cotidiano, por lo que hay una gran demanda comercial. Esto ha llevado al intento de mejora de la producción para que sea más eficiente y más rentable.

Existen principalmente 2 formas de producir celulosa:

·           A partir de los árboles: la celulosa obtenida requiere un tratamiento adicional para retirar la lignina. Este es un material que confiere resistencia a los árboles y, por tanto, difícil de eliminar, por lo que es muy costoso.

·            A partir de bacterias como Gluconacetobacter xylinum: usa la celulosa para mantenerse a flote en un medio acuoso que contiene los nutrientes y poder a la vez tener acceso al oxígeno del aire.

Tradicionalmente el medio en el que se produce Celulosa Bacteriana (BC) está formado por HS (Hestrin and Schramm), que tiene un alto contenido en azúcares usados por la bacteria tanto para crecer como para producir la celulosa, polímero de glucosa. Sin embargo, este método es bastante caro, por lo que se han estudiado alternativas.

Una de estas alternativas es el uso del líquido residual de la destilación del vino de arroz llamado TS (Thin stillage). Este residuo es muy contaminante, por lo que supone un coste para la empresa deshacerse de él. Por ello, cederlo para la producción de celulosa, además de abaratar los costes de producción de BC, evita el gasto económico para la destilería al procesarlo.

Se ha estudiado la influencia de la composición de los medios de cultivo en el tiempo de producción de BC,  sus características estructurales y la rentabilidad de la producción.

MEDIOS DE CULTIVO

Se usaron medios con diferentes proporciones de HS y de TS.

Como se muestra en la figura, la concentración de células y de BC aumenta conforme se incrementa la cantidad de TS. Pero, al  aumentar más de un 50% la proporción de TS, se observa un descenso notable en estos factores.

Esto indica que la máxima producción de BC solo se obtiene en un medio en el que haya un 50% de TS y otro 50% de HS (50/50 HS/TS).

Para comprender esto es necesario saber cómo se comporta la bacteria en cada medio. En medio formado exclusivamente por HS, el aporte mayoritario,  la glucosa, es usada tanto para el crecimiento celular como para  la producción de celulosa. Por otra parte, en medio formado exclusivamente por TS es necesario generar glucosa a partir de los ácidos orgánicos (aporte mayoritario de este medio)  para sintetizar celulosa. Y en medio mixto los ácidos orgánicos del TS se usan para el crecimiento y la glucosa del HS para celulosa.

TIEMPO DE PRODUCCIÓN DE BC

Los medio usados en este caso son: 100% HS, 50%HS (50% agua y 50% HS), 50/50 HS/TS, 100%TS y 50% TS (50% agua y 50% TS).

 En los medios con HS la concentración de glucosa se reduce hasta un nivel muy bajo durante los 3 primeros días debido a que la célula la incorpora y lo transforma en energía.

Por el contrario en los medios con TS, la concentración de glucosa se mantiene prácticamente constante dado que lo que usa la bacteria en este caso son los ácidos orgánicos del medio.

También se observa en esta gráfica que, en el medio 50-50, la masa de células, junto con la producción de BC, a los 7 días es mayor que en el resto de medios.

CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DE LA CELULOSA BACTERIANA

También se estudió el efecto del TS sobre las características estructurales de la Celulosa Bacteriana (BC) producida.

Películas de BC en bruto (no tratados)

La celulosa producida con el medio de TS  tiene un color más oscuro que la celulosa producida con los medios HS. Además la capa de celulosa con el medio 50/50 es de mayor grosor que el resto, como ya se ha comentado, por la mayor concentración celular y producción de celulosa.

Películas de BC tratadas con NaOH

Tras tratar la película de celulosa con NaOH, lo cual elimina las bacterias se obtuvieron películas blancas de Bc, de lo que se deduce que el color era debido a la presencia de los microorganismos. A mayor número de microorganismos, el color es más oscuro en los no tratados con NaOH.

También se observó que no hay diferencia en la estructura reticular ni en el tamaño de las fibrillas de celulosa entre los distintos medios. La celulosa obtenida con los medios que contienen TS es más densa en fibrillas, por lo tanto, tiene una menor capacidad de absorción: al ocupar más espacio las fibrillas hay menos espacio para los compuestos absorbidos.

RENTABILIDAD DE LA PRODUCCIÓN DE BC

 El abaratamiento de la producción de BC está basado en el uso de TS para reemplazar una parte del medio de HS. El coste de materias primas se reduce a la mitad debido a que el TS del TS-HS 50% es gratis. Además,  para producir la misma cantidad de BC en un medio mixto (TS-HS) que en un medio puro HS, la producción se abarata en un 67% (TS-HS). Si se usa un medio 100% TS, aunque sea gratuito, la producción de celulosa es la mitad que la del medio TS-HS 50%, por lo que el medio 50/50 es la mejor elección.

ENGLISH ABSTRACT

Bacterial Cellulose (BC) is traditionally produced in Hestrin and Schramm (HS) culture mediums using A. xylinum, but it is an expensive method. Researches Jyh-Ming Wu and Ren-Han Liu have conducted a study where Thin Stillage (TS) from rice wine destillation was used as a culture medium, totally or partially substituting HS medium, in order to improve the profitability of BC production and to solve the enviromental problem of TS (it is a pollutant). Several experiments concluded that 50/50 HS-TS medium was the most profitable medium and that it retained the structural characteristics of the BC produced in HS medium.

Artículo tratado:

"Cost-effective production of bacterial cellulose in static cultures using destillery waste water"

Autores:  Jyh-Ming Wu y Ren Han-Liu

Publicado en: Journal of Biosciencie and Bioengineering, VOL 115 No. 3,284-290, 2013