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BIOTECNOLOGAUnidad Temtica N 10PRODUCCIN INDUSTRIAL DE METABOLITOS TILES, ALIMENTOS Y BEBIDAS

12FERMENTACIN BUTRICA ACETONA Y BUTANOLCOMBUSTIBLES Y PRODUCTOS QUMICOS: ALCOHOL COMO COMBUSTIBLELic. Liliana Edith VergaraProfesor Adjunto

3COMBUSTIBLES Y PRODUCTOS QUMICOSIndustria qumica caracterizada por producir sustancias muy especficas para otras industrias. Responde rpidamente ante cambios en demanda, a variaciones de precios de materia prima y de energa. Acta con versatilidad, desarrollando procesos tecnolgicos nuevos y rentables. Si hay cambios que revierten la situacin, los procesos antes descartados podrn volverse a emplear.4En siglo XX se bas principalmente en el petrleo y sus derivados.La crisis de la dcada de 1970 alert sobre riesgos de la dependencia de un recurso no renovable... Pero el petrleo sigue siendo competitivo en precios. Mediados del siglo XXI disminucin o agotamiento de las reservas mundiales45Va biotecnolgica...Condicin: existencia de ruta metablica compleja que comprenda varias etapas. Permite utilizar un microorganismo para realizar toda la secuencia de reacciones.Adems... Mejoramiento gentico de las cepas industriales por ingeniera gentica.

Va biotecnolgica: metabolitos primarios como algunos solventes, cidos orgnicos y polmeros, cuya produccin exige inversiones menores y operaciones simples,

6Biomasa utilizable como sustrato:

De 180 x 109 toneladas de material obtenido de plantas producido anualmente sobre la tierra:

1 -2% se utiliza para nutricin humana y animal 1% para la produccin de fibra y energa.

7Requerimientos para fermentacin rentable a partir de carbohidratos de plantas:Bajo costo de conversin de polmeros a mono y disacridos.Uso de cultivos mixtos para catabolizar sustratos diferentes.Cepas termfilas.Procesos anaerobios.Adaptable a sistemas de cultivo continuo.Bajos costos de recuperacin y concentracin.8Se producen en grandes cantidades a partir del petrleo...Su obtencin por fermentacin microbiana puede resultar rentable... Se han usado en gran escala ciertos Clostridium spp. Los solventes industriales acetona y butanolMuchos clostridios: Azcares CO2, + H2 + cido butricoReacciones posteriores: cido butrico Butanol cido actico Acetona y etanol 9FERMENTACIN BUTRICAACETONA / BUTANOL10Fermentacin butrica: Acetona / Butanol

Observada por primera vez por Pasteur (siglo XIX)Antes de 1 Guerra Mundial: procesos microbianos para obtener butadieno (para caucho sinttico)Chaim Weizmann, (1874) investiga fermentacin con Clostridium acetobutylicum (ferment. ABE)Logr obtener acetona, utilizada para produccin de trinitrotolueno (TNT)Es considerado el Padre de la fermentacin industrial

11Despus de la guerra: butanol para produccin de lacas de nitrocelulosa. Fermentacin ABE fue utilizada hasta los aos 50...Mayora de las plantas con fermentadores < 200m3 fueron cerradas. Permanecen algunas plantas funcionando en pases tales como Taiwn y Sudfrica.Fermentacin butrica: Acetona / Butanol

12Fermentacin de acetona-butanol con Clostridium acetobutylicumFermentacin del butanol-isopropanol con Clostridium butylicumFermentacin del actico-butrico con Clostridium butyricumFermentacin butrica: Acetona / Butanol

Acido butrico, butanol, acetona, isopropanol:fermentacin por clostridiosalmidn, melazas, sacarosa, hidrolizados de madera y pentosas13Muy comunes en la naturaleza (suelos, plantas, estircol, etc.)Bacilos capaces de formar esporas en condiciones adversasSon anaerbicasTemperatura ptima de crecimiento es de 37CForman cido butricoCarecen de citocromos obtienen ATP slo por fosforilacin a nivel sustratoBacterias butricas (Clostridium)

Clostridium perfringens14

CIDO BUTRICOGLUCOSADE: ttp://www.educa.madrid.org/web/ies.rayuela.mostoles/deptos/dbiogeo/recursos/Apuntes/ApuntesBioBach2/4-FisioCelular/Metabolismo.htm15Tabla 10.4. Caractersticas de algunos grupos del gnero Clostridium (Brock, 2000).Caractersticas claveOtras caractersticasEspeciesI. Fermentan carbohidratos Fermentan celulosaProductos de fermentacin: acetato, lactato, succinato, etanol, CO2, H2.C. cellobioparumC. thermocellum Fermentan azcares, almidn y pectina

Productos de fermentacin: acetona, butanol, etanol, isopropanol, butirato, acetato, propionato, succinato, CO2, H2, algunos fijan N2.C. butyricumC. acetobutylicumC. pasteurianumC. perfringensII. Fermentan protenas o aminocidosProductos de fermentacin: acetato, otros cidos grasos, NH3, CO2, a veces H2, algunos fermentan azcares hasta butirato y acetato; pueden producir exotoxinas.C.sporogenesC. tetaniC. botulinumC. tetanomorphumIII. Fermentan el etanol a cidos grasosProducen butirato, coproato y H2; requiere acetato como aceptor de electrones; no utiliza azcares, aminocidos o purinas.C. kluyveri

Clostridium botulinum 16Produccin biotecnolgica de etanol...Usado como aditivo a los combustibles de automviles... Hoy existe considerable inters industrial en realizarla mediante la fermentacin de la celulosa por clostridios. Finalidad: usar restos de celulosa como combustible para motores.

PROCESO DE PRODUCCINAcetona - Butanol1718

QUIMISMO1819Los cultivos de reserva de Cl. acetobutylicum se mantienen como esporas en arena incluso durante 30 aosTanto la produccin de esporas como la preparacin de los inculos son crticasLos fermentadores de produccin deben ser inoculados con baja relacin de inculo (1 : 3.000)Se prepara a partir de serie de cultivos de vol. creciente y se aade mediante presin del gas InculoLas condiciones anaerbicas se mantienen desde el principio de la fermentacin por produccin de CO2

20Materias primas y condiciones de la fermentacinLas materias primas deben ser sometidas a diversos pretratamientos antes de someterla a la fermentacin:Jugo de la caa de azcar: extraccin por molienda y lavado Cereales: molienda, amasado, calentamiento y conversin del almidn en glucosa (sacarificacin enzimtica)Biomasa de lignocelulosa: drstico y procedimientos de hidrlisis. (Mtodos para eliminar la lignina y exponer celulosa cristalina incluyen empleo de cidos, bases, vapor y procedimientos mecnicos que aumentan significativamente los costos)21Concentracin del azcar: 6%, lquidos de fermentacin de maz, suplementada con sales de N y PpH inicial: 5,8 - 6,0Esterilizacin a 120CEnfriamiento a 35-40C bajo presin positiva del gas de fermentacinCondiciones para la preparacin del medio con Melazas2122Deben resistir presiones de vapor de esterilizacin de al menos 1 bar.Deben trabajar posteriormente en condiciones de anaerobiosis estricta.

Una vez esterilizados, son gaseados con CO2, y antes y despus de la inoculacin en contenido del fermentador es agitado con CO2Recipientes para la fermentacin de acetona-butanol

2223La fermentacin tiene tres fases...

Al finalizar la fermentacin, generalmente tras 40-48 horas, se alcanza el mximo rendimiento tolerado de disolventes (2%)24La fermentacin de azcares por C. acetobutylicum y otros clostridios sacarolticos produce gran variedad de compuestos... Productos de la fermentacin acetona-butanol (a partir de glucosa=100) (Brown, 1989).CO2ButanolAcetonacido ActicoEtanolIso-PropanolH2> 50> 20 8 4 3 3 2Las cantidades, y en realidad los propios compuestos, varan entre cepas, especialmente la relacin acetona-butanol. No todos los compuestos que se indican son producidos por todas las cepas de C. acetobutylicum.25

En orden de temperatura creciente, se recogen del destilador:AcetonaMezcla de disolventes etanol y 2-propanol El azetropo butanol/aguaAdems, la biomasa microbiana producida proporciona una fuente valiosa de riboflavina (vitamina B2). 26A una concentracin < o,5% no influye sobre las clulas,

A > concentraciones causa dao a los fosfolpidos de las membranas,

Por encima de 1,5% la produccin de butanol cesa,

Dependiendo de la cepa, y de las condiciones de fermentacin, pueden producirse autolisinas. El butanol sobre las clulas....

27Actualmente: estudios para desarrollar un proceso de fermentacin continua

O para utilizar o clulas inmovilizadas...La inmovilizacin de microorganismos dara un nuevo impulso a la sntesis de solventes, al aumentar la productividad en 60%.28PRECAUCIONES !!El medio utilizado para C. acetobutylicum es tambin favorable para bacterias lcticas.Si comienzan a crecer, rpidamente inhiben el desarrollo de los clostridios por produccin de cido lctico. Ms grave an: infeccin por bacterifagos... La contaminacin por bacterifagos y lactobacilos es un problema comn... y por consiguiente la esterilidad absoluta es una necesidad

29La fermentacin de la acetona-butanol se realizar con xito slo bajo condiciones de un cuidadoso control microbiolgico. El establecimiento de esta industria es importante en la historia del desarrollo de la tecnologa de las fermentacionesSe destaca como el primer proceso a gran escala que requiri CONDICIONES DE CULTIVO PURO30ACETONA: como solvente en manufactura de lacas, resinas, cauchos, grasas y aceites.BUTANOL: en produccin de lacas, rayn, detergentes, lquido de frenos, aminas y como solvente general. Hoy llamado BIOBUTANOL, es combustible no corrosivo, Tiene el potencial de ser mezclado con las naftas en mayores concentraciones que los actuales biocombustibles, Sin necesidad de cambios en los vehculos. Superior a mezcla nafta-etanol, rinde ms kilmetros por litro.

USOS3031Los ltimos avances en la sacarificacin de maderas y en general, en la hidrlisis de metales celulsicos, permite suponer un mayor desarrollo futuro de la fermentacin de estos residuos a productos qumicos tiles o combustibles.

32Objetivo GeneralDesarrollar un mtodo de obtencin de bioetanol utilizando material lignocelulsico proveniente de residuos agroindustriales, buscando el progreso socio-econmico, medioambiental y productivo provincial y nacional.Objetivos ParticularesBuscar el tipo de material lignocelulsico que mejor se ajuste al proceso productivo, teniendo en cuenta disponibilidad, costo y caractersticas estructurales. La biomasa a tener en cuenta son pasto seco, paja, cscara de arroz y aserrn proveniente de aserraderos de la zona.Analizar las etapas posibles, buscando las que mejores se ajusten al mayor rendimiento y rentabilidad del proceso como un todo. Las etapas mencionadas son: pretratamiento, hidrlisis, fermentacin y separacin.El diseo y/u optimizacin de los equipos necesarios. Plan Beca de DoctoradoOBTENCIN DE ETANOL A PARTIR DE MATERIALES LIGNOCELULSICOS33Referencias BibliogrficasCrueger, W.; Crueger, A. Biotecnologa. Manual de Microbiologa Industrial. 3 ed. Acribia, Zaragoza. 1993.Jagnow, G.; Dawid, W. Biotecnologa. Introduccin con experimentos modelo. Acribia, Zaragoza, Espaa. 1991. Madigan, M.; Martinko, J.; Parker, J. Brock. Biologa de los microorganismos. 8 ed. Prentice Hall. Espaa, 2000.Scragg, A. Biotecnologa para Ingenieros. Sistemas biolgicos en procesos tecnolgicos. Limusa. Mxico. 1997.Ward, Owen. Biotecnologa de la Fermentacin. Acribia, Zaragoza. 1991. Alkalay, D. Universidad Tcnica Federico Santa Mara. Departamento de Procesos Qumicos. Valparaso Chile. Aprovechamiento de desechos agropecuarios para la produccin de energa. En: http://www.fao.org/docrep/006/AD098S/AD098S08.htm.Muoz de Malajovich; M-A. Biotecnologa. 1 ed. Universidad Nacional de Quilmes. Bernal. Buenos Aires. 2006.