Ingeniería Metbólica aplicada a los biocombustibles

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Entre los biocombustibles más comunes se encuentran el bioetanol y el biodiésel, el primero es obtenido a partir de fermentación de productos tales como cereales y la caña de azúcar, el segundo es producido por aceites vegetales como: girasol, maíz, palma, soya entre otros; o grasas que pasan por un proceso de transestirificación dando como resultado esteres metílicos de ácidos grasos (FAME). (Espinoza, et al., s. f.)

La transestirificación como se muestra en la Figura 2 es un proceso químico en el que las tres cadenas ésteres de cada molécula de triglicérido reaccionan con un alcohol llamada metanol, y los productos que son obtenidos al final son un éster metil de ácido graso, el cual puede ser usado como combustibles. Dentro de sus propiedades las moléculas de oxígeno son retenidas por el biodiésel favoreciendo la combustión, además estas cadenas no tienen en su esqueleto azufre, lo cual es favorable para el medio ambiente, y la glicerina una vez que paso por su purificación puede ser utilizada como insumo en el ámbito industrial farmacéutico y cosmético, sin embargo, todo este proceso requiere de un catalizador y elevadas temperaturas para que la reacción pueda ser finalizada. (Espinoza, et al., s.f.)

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Figura 2. Proceso de transesterificación. Fuente : Bio-oils, 2007

El biodiésel según la CONAE (Comisión Nacional Para El Ahorro de Energía) presenta una gran ventaja ecológica ya que comparado con el diésel, de origen fósil, disminuye las emisiones de gases que provocan el efecto invernadero. Como un claro ejemplo la utilización de una tonelada de biodiésel en lugar de diésel, evita la producción de 2.5 toneladas de CO2 (Dióxido de carbono) y la mejor ventaja que presenta es la eliminación las grandes emisiones de SO2 (azufre) resultando en la disminución de lluvias ácidas. Finalmente y de manera evidente la mejor característica que presenta el biodiésel es el hecho de ser un combustible renovable y no finito en comparación de los hidrocarburos. (Vargas, s.f.)

En estudios realizados sobre la producción de biodiésel a partir de aceite microbiano por Quiang, Wei y Dehua (2008) se describe la producción de aceites microbianos por levaduras, bacterias, hongo y algas, a partir de ellos se ha obtenido la certeza de que aceites microbianos pueden ser utilizados para la elaboración de biodiésel. Comparando la producción de aceites producidos por vegetales o grasas de los animales para la elaboración de dicho biocombustible, la producción de aceite microbiano presenta mayores ventajas como un ciclo de vida corto, menos energía requerida, menos afinidad por el clima, temporada y es más fácil incrementar la producción de los microorganismos.

Saccharomyces cerevisiae

Durante siglos las levaduras han sido utilizadas para la producción de productos como el pan, cerveza y vino. Estos organismos unicelulares pueden trabajar de forma aerobia metabolizando azúcares o de manera anaerobia produciendo alcoholes, entre otros productos, como es el caso de este trabajo para la producción de biocarburantes. (García, M, 1993).

Una de las razones de la elección de esta levadura es que ha sido estudiada durante varios años ya que ha servido como modelo para estudiar los procesos metabólicos en las células eucariotas. Su pH debe ser acido (5.0 – 6.0) para su óptimo de crecimiento. (Serrano, R, 2006).

Las fases de crecimiento de la levadura son las siguientes; la fase lag donde sufre un proceso de adaptación y comienza a dividirse, la fase logarítmica en la que logra la máxima producción de metabolitos debido a la fermentación donde se obtiene el etanol, la etapa diáuxica cuando existe poco sustrato y el proceso de división se desacelera y se da un metabolismo respiratorio, la etapa postdiáuxica en el cual el etanol producido sirve como fuente de carbono y finalmente la fase estacionaria donde las células ya no pueden dividirse debido a que los nutrientes se han agotado como respuesta al estrés que sufre la célula su pared se hace más resistente a la liticasa. (De Martín, 2005).

Las células de Saccharomyces cerevisiae tiene diferentes formas; cilíndricas, esférica, elipsoidales y pueden encontrarse en grupos de dos, cadenas cortas o racimos o bien sin agruparse; pueden formar o no pseudomicelio. El color de las colonias puede variar de color café a color crema, con aspectos rugosos, lisos, opacos o brillantes, la manera en que esporulan puede ser elipsoidal o redondas y pueden fermentar la galactosa, la maltosa y la sacarosa, una de las de desventajas es que no pueden utilizar el nitrato como fuente de nitrógeno. (García, M, 1993).

En el siglo siglo XVII, Linneo, el creador de la sistemática moderna, se interesó por la fermentación alcohólica, pero hubo que esperar hasta mediados del siglo XIX para obtener los primeros avances importantes en el conocimiento de la fisiología y bioquímica de las levaduras. (Parés, M, 2002)

Ramon Parés en su libro de bioquímica de los microorganismos nos comenta que Cagniard-Latour demostro en 1837 que la levadura se multiplica durante la fermentación alcohólica y fue quien primero le atribuyó una naturaleza vegetal. El proceso químico de la fermentación alcohólica fue establecido por Gay-Lussac a principios del siglo XIX:

C6H12O6=2CH3-CH2OH+2C02

Constituye la tercera estequiometría de la química biológica, después del proceso respiratorio de Lavoiser

C6H12O6 + 6O2→ 6H2O + 6CO2

Pasteur fue el primero en comprobar que, si se suministra suficiente oxígeno, la levadura crece sobre glucosa sin producir alcohol. En este caso, sigue el proceso respiratorio:

C6H12O6 + 6O2 → 6H2O + 6C02

El cese en la producción de alcohol viene acompañado de una disminución en el consumo de glucosa.

Cáceres y Reina (2002) mencionan que la levadura Saccharomyces tiene la capacidad de crecer vegetativamente tanto de forma haploide como diploide, esta célula pierde la capacidad de aparearse y tampoco puede secretar factores de reproducción o responder a ellos. Pero, en el momento de ocurrencia de la meiosis, cuando las células son expuestas a condiciones de inanición se forma un ascomiceto el cual normalmente contiene cuatro esporas haploides, dos de las cuales son de apareamiento. Al transferir las esporas a un medio nutritivo se lleva a cabo la germinación y una rápida fusión dentro del ascomiceto para formar dos células