Producción de bioetanol a base de caña de azúcar

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Sobre los rendimientos industriales, se puede decir que una tonelada de caña utilizada exclusivamente para la producción de azúcar origina cerca de 100kg de azúcar, y existe la posibilidad de que se produzcan más de 20 litros de bioetanol con la melaza, en el caso brasileño, con las perdidas referidas a una caña mediana con contenido de sacarosa del 14%. Con base en esos valores de rendimiento, en el caso del uso exclusivo para la producción de bioetanol, con una tonelada de caña es posible obtener 86 litros de bioetanol hidratado, mientras que, cuando el objetivo es la producción de azúcar con dos masas, en el cual la miel no se agota, sino que el resto se envía a la producción de bioetanol.

Actualmente, el bioetanol es producido por fermentación alcohólica de los de los azúcares presentes en materiales renovables. Dicha fermentación está influenciada por factores como la concentración de azúcares del sustrato y el microorganismo fermentador que se emplee.

De acuerdo con reportes previos cuando la S. cereviciae se encuentra cultivada a altas concentraciones de azúcar (menores a 30-40%) se incrementa la producción de etanol.

Adicionalmente, cuando S. cereviciae se encuentra bajo condiciones de alta concentración de oxígeno disuelto y la concentración de azúcares supera 0,16g/L o 9g/L, la levadura convierte un metabolismo oxidativo a oxidoreductivo fermentativo incrementándose la producción de etanol. Dicho fenómeno se conoce como efecto Crabtree

Justificación:

La utilización del petróleo como fuente de energía es una amenaza continua puesto que este es un recurso no renovable y difícil de conseguir, por el contrario, el uso de etanol como fuente de energía se ha convertido en un tema amplio de investigación mundial, y su producción a aumentado notablemente en los últimos años. La demanda de etanol para ser usado como combustible pasa de 19 billones de litros en el 2000 a 22 billones de litros en el 2004 (Enríquez, 2005; Cadena Agroindustrial, 2004).

El agotamiento continúo de las reservas de combustibles fósiles y la consiguiente escalada de su precio ha estimulado una amplia evaluación de las tecnologías y los sustratos alternativos para satisfacer la demanda mundial de energía. Como consecuencia de ello, las fuentes alternativas de energía como el metano, hidrógeno y bio-etanol cada vez están siendo considerados como posibles sustitutos de los combustibles fósiles. De los tres, el etanol está siendo considerado para ser el combustible líquido alternativa más prometedora; ya que se puede producir fácilmente a partir de la agricultura de materiales renovables como el jugo de la caña de azúcar.

Industrialmente, el bioetanol se produce utilizando S. cerevisiae como microorganismo fermentador debido a la capacidad para metabolizar un espectro amplio de azúcares y tolerar minerales presentes en sustratos de uso industrial.

Objetivo:

Desarrollo de propuestas del bioproceso

- Identificación del bioproceso

Producción de bioetanol apartir de caña de azucar

- Estequiometria

- Diseño del medio de cultivo

Como sustrato industrial se usó melaza de caña de azúcar diluida hasta la concentración de sacarosa requerida, filtrada y suplementada con: como fuente de carbono 1g/L (NH4)2SO4, como fuente de azufre 0.5g/L MgSO4 y como fuente de fosforo 1g/L KH2PO4.

- (Peña 2011)

- Requerimientos medio ambientales

Temperatura

La temperatura de crecimiento de la mayoría de las levaduras está comprendida entre 5 y 37ºC. El valor óptimo se sitúa hasta los 28ºC. De modo general las levaduras no son microorganismos termfilicos, sin embargo la termo destrucción comienza a los 5ºC, siendo las células en la fase exponencial más sensible que las células en la fase estacionaria.

PH

El pH óptimo para el crecimiento de las levaduras varía de 4.5 a 6.5 aunque muchas especies toleran grandes variaciones de pH. Entre estos, los valores del pH intracelular varía entre 5.8 y 6.8. La sensibilidad de una levadura a un ácido orgánico depende así del pH y de la capacidad de la levadura de metabolizar o eliminar el ácido si este penetra la célula.

Oxigeno

Todas las levaduras son aeróbicas, cuando el oxígeno está presente, estas crecen eficientemente a partir de carbohidratos del medio para producir la biomasa y CO2. Sin embargo cuando no hay oxigeno o este disminuye, las levaduras cambian a metabolismo anaerobio o fermentativo, que se traduce en la formación de menor cantidad de biomasa y producción de alcohol.

Nutrición

Las levaduras para su crecimiento necesitan fuentes de carbono orgánico y nitrógeno mineral u orgánico. El carbón es el compuesto mayoritario de la célula de la levadura: alrededor del 50% del peso seco. El carbono se puede suministrar en forma de azucares, aldehídos, sales de algunos ácidos orgánicos., etc. Todas las levaduras son capaces de utilizar nitrógeno en forma de ion amonio. Los iones amonio pueden ser aportados en el medio por cloruro amónico, el nitrato amónico, el fosfato amónico y sobre todo el sulfato amónico. También se puede adicionar urea, peptona u otros derivados proteínicos solubles. El fosforo es un elemento particularmente importante en el proceso vial de las levaduras, desempeña un papel muy importante en la producción de etanol a partir de azucares. Se encuentra en la lecitina y en otros componentes de la levadura. El potasio estimula la fermentación y la respiración. El magnesio juega el papel de activador de las enzimas glicoliticas.( DE MINIAC, M. (1989). “Contamination of industrial alcoholic fermentation of yeast of the Brettanomyces genus.” Ind. Alim. Agric. 106, 559-63.)

- Selección del tipo de reactor

Reactor quimostato

- Modo de operación

Un cultivo consiste en alimentar nutrientes y retirar productos continuamente de un biorreactor. Bajo ciertas condiciones el cultivo puede alcanzar un estado estacionario, donde no existe variación con el tiempo del volumen de biorreactor. De manera que se puede utilizar para producir sustancias biológicas a condiciones