Este blog está asociado a las páginas web de las asignaturas de Microbiología del Grado de Biotecnología y del Grado de Ciencias Ambientales de la UMH.

Aquí se publican los resúmenes de los diferentes trabajos realizados por los alumnos de la asignatura Microbiología Industrial.


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viernes, 29 de mayo de 2015

Mejora de la eficiencia de la producción de butanol por fermentación de lignocelulosa absorbida

El origen de la bioproducción de butanol está en la Primera Guerra Mundial, donde los ingleses andaban escasos de acetona para la fabricación de municiones. Problema al que dió solución un químico de origen ruso, Chain Weizmann. Este desarrolló la fermentación butanol-acetona utilizando a la bacteria anaerobia Clostridium acetobutylicum, ya que es la única capaz de fermentar xilosa, pero en mezclas con glucosa y xilosa primero consume la glucosa y la xilosa la deja para el final.
Actualmente hay dos formas de producir butanol, la primera y la más utilizada es la producción físico-química de derivados del petróleo; la segunda es mediante la bioproducción en las fermentaciones conocidas como ABE.

Se utiliza como sustrato para la fermentación los restos no utilizados del maíz. Estos rastrojos se secan y se machacan obteniendo fragmentos que se mojan con agua destilada. El pretratamiento realizado es el siguiente:

          Rastrojo + explosión de vapor
       SECS(steam-exploded corn stover)
                 

                     SECS + NaOH
 
         SECSAT (SECS Alkali-Treated)

Dicho pretratamiento es importante para obtener el mejor sustrato posible para la fermentación; después de esto, el SECSAT se seca y se almacena.
La fermentación para producir biobutanol se puede llevar a cabo de tres formas:
  1. Fermentación sumergida (SMF), la más utilizada actualmente.
  2. Fermentación en sistema sólido, que presenta algunas ventajas, como la mejora del rendimiento y de las características del producto, pero otros problemas como crecimiento limitado por el bajo contenido de agua.
  3. Fermentación en lignocelulosa absorbente (ALF), que debido a su alta porosidad tiene una mayor capacidad de retención de agua.

Antes de hablar sobre la aplicabilidad, hay que mencionar las diferentes fuentes de carbono.
Según los resultados obtenidos en un primer experimento en el que se analizaron la glucosa y la xilosa, se concluyó que la glucosa es el sustrato preferente, puesto que da un mayor rendimiento y su productividad es mayor. Este experimento se llevó a cabo sin eliminar la lignina.
Tras eliminar la lignina, los cambios observables, son:

  • El contenido en etanol disminuyó significativamente, sobre todo en la fermentación de la xilosa.
  • El contenido relativo de acetona en el disolvente aumentó en la glucosa, así como en la xilosa.
  • En lo que respecta al butanol apenas hubo grandes cambios en su concentración.
Estos cambios provocan problemas económicos en la fermentación de ABE. Por tanto, se buscaron otras alternativas como son la producción ABE por cofermentación de glucosa y xilosa. Este proceso es muy importante para abaratar el coste de la fermentación.
Se estudia posteriormente el rendimiento de este microorganismo en ALF y se obtienen los siguientes resultados:
En la tabla 2 se muestra la eficacia de la fermentación de tres mezclas de azúcar con diferentes proporciones de cada componente.

Se puede observar que el aumento de la proporción de xilosa causa un efecto negativo.  Se demostró que la glucosa inhibe parcialmente la utilización de xilosa en las mezclas.

En la tabla 3 se muestra el contenido de lignina en SECS y en SECSAT.

Los resultados obtenidos muestran como el contenido de lignina disminuye en SECSAT. También se muestra que la lignina ha conseguido aumentar la porosidad y también la superficie específica del transportador. Por todo ello podemos afirmar que el SECSAT es el más apto para ser utilizado como un transportador absorbido por los microorganismos.
La tabla 1 recoge los datos comparativos de la fermentación entre SECS y SECSAT.
Se demuestra el efecto de mejoría en la extracción de lignina en ALF. Fila 3, mayor rendimiento. Por lo tanto, el SECSAT es usado como un apoyo, no como una fuente de nutrientes.

Mediante la sacarificación y fermentación parcial (PSSF) del SECSAT, se obtienen más azúcares libres y de esta manera, se reduce el coste de las fermentaciones. Para conseguir la sacarificación y fermentación parcial durante el proceso de fermentación se añade celulasa. Los resultados que se obtuvieron mediante dicho proceso fueron los siguientes: 
Los resultados obtenidos muestran un rendimiento mayor de ALF en presencia de la enzima.
















En este diagrama se resume el proceso de producción de butanol y la obtención de otros productos secundarios.


¿Cuáles son los intereses de todo este proceso de producción de butanol?
La producción de butanol tiene dos principales intereses, uno como producto químico para la fabricación de pinturas, detergentes, explosivos, entre otros, la otra como combustible líquido alternativo a los combustibles fósiles. Sin embargo, la producción de biobutanol todavía no es económicamente competitiva, debido principalmente a la baja concentración de butanol en caldo de fermentación. Por eso se busca el desarrollo de una nueva tecnología que abarate los costes y aumente el rendimiento.
Una de las alternativas estudiadas es la producción de butanol por ALF, ya que no solo aumenta el rendimiento del ABE, sino también se produce un cambio en la relación del disolvente.
Como conclusiones de dicho estudio se obtuvo que la fermentación mixta de pentosas y glucosas muestra una fermentabilidad mayor, aunque menor que el nivel medio de la fermentación de azúcares separados. Además, PSSF de SECSAT para la producción de butanol podría aumentar el poder de fermentación y preparar un excelente material de fabricación de papel. También, la lignina que ha quedado en disolución en la solución alcalina del SECSAT se podría separar para producir productos derivados de lignina, y el NaOH en disolución podría ser recuperado y reutilizado. Todos estos resultados pueden economizar la producción industrial de la ABE.

BIOBLIOGRAFÍA
Qin He and Hongzhang Chen, (2012). Improved efficiency of butanol production by absorbed lignocellulose fermentation. Journal of Bioscience and Bioengineering, Volume 115, Issue 3, Pages 298-302.

ALFONSO AZORÍN GUAITA
FRANCISCO JOSÉ CANDELA MOLLÁ
JULIÁN JOSÉ DUQUE PEDRAZA
PEDRO GUZMÁN BLASCO
ALEJANDRO ELEAZAR PEÑIN FRANCH

1 comentario:

  1. Bastante exhaustivo lo que hace que no tenga un estilo completamente divulgativo

    Bien los enlaces integrados en el texto

    Los párrafos deberían estar separados y no pegados

    La figura de la gráfica carece de texto explicativo

    ResponderEliminar