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MICROORGANISMOS EN LA PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES Y BIOMASA
1. Planteamiento del problema
Un grave problema de las economías nacionales es el grado de dependencia hacia el petróleo, de ahí la
necesidad de buscar alternativas que se distingan por su menor precio relativo, así como por su fácil acceso e
incluso en la incidencia del medio ambiente .En este caso aparecen los biocombustibles y dentro de ellos el
etanol el metano (biogás) e hidrogeno los cuales en nuestro país tienen la posibilidad de producirse en gran
volumen.
En el mundo entero se está apostando por la producción de energías renovables. Además la producción de
biomasa es partir de residuos orgánicos o industriales, los cuales son subproducto de las industrias.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo general
Producción microbiana de combustible y biomasa.
2.2. Objetivos específicos
Producción de etanol partir de maíz
Producción de metano partir de residuos orgánicos
Diseñar y construir un biodigestor casero a base de plásticos con fines descriptivos.
Comprobar la eficacia del biodigestor utilizando el gas obtenido para lograr la combustión.
3. JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo de investigación es importante debido a que ayudara a los estudiantes aplicar los
fundamentos científicos de microbiología industrial para hacer un aporte en el avance científico tecnológico
de la región Arequipa ya que es de vital importancia preservar el medio ambiente en la región y en el país el
proyecto tiene como finalidad hacer uso de los residuos orgánicos domésticos e industriales para la
producción de biocombustible y biomasa.
4. MARCO TEORICO.
4.1. ANTECEDENTES:
La reducción de la contaminación en su origen abarca un gran número de aproximaciones
metodológicas que en conjunto pueden llamarse Tecnologías Limpias y que comprenden cambios en
los procesos, cambios de procesos y cambios de material de partida:
Cambios en los procesos que impliquen la sustitución de métodos químicos por enzimas o
microorganismos (incluyendo organismos modificados genéticamente: OMGs o GMOs).
Control integrado de plagas y de cosechas que reduzca el uso de insecticidas y herbicidas
(productos agroquímicos).
Control biológico: uso de materiales biológicos para el control de plagas y enfermedades. Esto
incluye desde usar biopesticidas (por ejemplo, la toxina de Bacillus thuringiensis) a crear plantas
transgénicas resistentes a plagas.
Mejora biológica de la producción agrícola: incluye desde el uso de microorganismos beneficiosos
(rizobios, PGPRs, micorrizas, etc.) a la creación de plantas transgénicas más productivas.
Recuperación de recursos naturales: p. ej., la lixiviación microbiana permite recuperar metales con
un coste energético muy inferior a los procedimientos tradicionales de extracción.
Producción de plásticos biodegradables por microorganismos.
Desulfuración biológica del carbón y del petróleo.
Uso de biomasa como fuente renovable de energías. Biocombustibles.
La química verde, green chemistry, hace referencia al uso de procesos industriales menos
contaminantes. Dentro de esta filosofía cobra gran importancia la biotecnología mediante el uso de
organismos o enzimas. En la actualidad los procesos verdes basados en procesos biológicos
constituyen alrededor del 5% de los procesos químicos industriales. Sin embargo se espera que en la
próxima década ese porcentaje suba al menos a un 10-20%, en parte al menos por la aplicación de
nuevas técnicas en la búsqueda de microorganismos y enzimas y en la mejora por ingeniería genética
de ambos en el laboratorio. La sustitución de procesos puramente químicos por procesos
biotecnológicos persigue fundamentalmente dos objetivos desde el punto de vista ambiental: disminuir
el gasto energético y de agua y minimizar la producción de compuestos contaminantes, y todo ello de
forma compatible con la rentabilidad.
Se denominan energías renovables a las que se obtienen de fuentes naturales virtualmente inagotables,
unas por la inmensa cantidad de energía que contienen, y otras porque son capaces de regenerarse por
medios naturales.
World total primary energy supply 2004, shares of 11.2 billion tons of oil equivalent, or 470 EJ
Combustibles fósiles:
Disponibilidad finita (no son renovables): se estima que las reservas de petróleo y gas son para
aproximadamente un siglo, y las de carbón, el más contaminante, para 3-4 siglos. En la actualidad
se consumen a un ritmo 105 veces superior al de su formación.
Producción de gases de efecto invernadero (calentamiento global).
Producción de otros contaminantes (contaminación del aire, lluvia ácida).
Energía nuclear:
La fisión nuclear libera 50 millones de veces más
energía que el carbón: se usan pequeñas
cantidades de uranio, se reduce el problema de
transporte (cantidad), no se liberan gases.
Residuos altamente peligrosos y difíciles de
almacenar.
Riesgo de catástrofes.
Energías renovables:
Energía hidroeléctrica
Energía solar
Energía geotérmica
Energía eólica
Energía mareomotriz
Biomasa (biocombustibles)
En la actualidad, las energías renovables están en alza. El 10 de marzo de 2007 la UE se ha
comprometido a un doble objetivo, obligatorio para 2020: reducir un 20% las emisiones de estos gases
de efecto invernadero respecto a 1990, y aumentar hasta un 20% el consumo de energías renovables
sobre el total (en la actualidad es de un 6,3% en la UE).
El consumo de biocombustibles debe ser al menos del 10%. Por su parte, Suecia pretende ser
independiente del petróleo en pocos años. A cinco años de la renovación del famoso protocolo de
Kyoto, Europa toma así la cabeza de la resolución de un problema global, con la esperanza de que
países como Estados Unidos y China - sin los cuales estos esfuerzos serán inútiles- se sumen a esta
posición. Si lo hacen, el compromiso europeo de reducción de emisiones nocivas subiría a un 30%.
4.2. DEFINICION DE CONCEPTOS:
Biocombustibles y Biomasa
Los biocombustibles derivan de biomasa (organismos que han vivido recientemente o sus productos o
desechos metabólicos, como los excrementos). A diferencia de otros combustibles naturales (petróleo,
carbón, combustibles radioactivos) son una fuente de energía renovable. Una definición de
biocombustible podría ser: cualquier combustible que al menos en un 80% derive de organismos vivos
recolectados en los 10 años que preceden a su producción. Al igual que el carbón y el petróleo, la
biomasa es en su mayor parte una forma de energía solar almacenada.
Otra ventaja de los biocombustibles es que son biodegradables y por tanto no demasiado peligrosos
para el ambiente si accidentalmente se vierten a éste.
En cualquier caso, el uso directo de biomasa para obtener calor o electricidad y el uso de
biocombustibles va a estar cada vez más favorecido (legislativamente) en los próximos años.
4.2.1. PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES
Producción de biodiesel:
El biodiesel es un biocombustible líquido producido a partir de aceites vegetales y grasas animales. Las
materias más utilizadas son semillas de plantas oleaginosas como la colza y el girasol (Europa), la soja
(EEUU) y el coco (Filipinas) y frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). También
pueden usarse aceites de fritura usados, por lo que en determinadas zonas existen servicios de recogida
de dichos aceites. Es una materia prima barata y además se evitan los costes de su tratamiento como
residuo. También está estudiándose el uso de lípidos de origen microbiano: algas, bacterias y hongos.
Las propiedades del biodiésel son prácticamente las mismas que las del gasóleo de automoción en
cuanto a densidad y número de cetano (indicativo de la eficiencia energética de la reacción que se lleva
a cabo en los motores de combustión interna) y presenta un punto de inflamación superior. Por todo
ello, el biodiésel puede mezclarse con el gasóleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente
si éstos se adaptan convenientemente. El ahorro en emisiones de gases invernadero es de al menos un
60% en comparación con el gasóleo.
Además el biodiésel produce menos dióxido de azufre en la combustión y es fácilmente biodegradable.
Los aceites vegetales están compuestos principalmente por triglicéridos y tienen un uso directo mínimo
en motores diésel por varios problemas:
Su combustión da lugar a residuos como gomas y ceras que taponarían los conductos (eso puede
evitarse desengomando y filtrando el aceite).
Su alta viscosidad causa una mala atomización y, con ello, una mala combustión.
La polimerización de los componentes insaturados en la cámara de combustión causa depósitos en
los cilindros.
Por eso los aceites vegetales (o grasas animales) son transformados en ésteres monoalquílicos de ácidos
grasos de cadena larga. Los ésteres más empleados son los de metanol. Éstos se pueden obtener por
diversas vías, pero la más utilizada es la reacción de transesterificación:
Reacción de transesterificación:
La producción de biocombustibles es de importancia prioritaria ya que puede favorecer la creación de
empleo en agricultura, fijar población en el ámbito rural, potenciar el desarrollo industrial en esas zonas
y reducir los efectos de la desertización gracias a la plantación de cultivos energéticos.
Producción de bioetanol:
La gasolina es una mezcla de alcanos (típicamente de 5 a 12 átomos de C), alquenos, cicloalcanos e
hidrocarburos aromáticos. El calor de combustión del etanol es menor que el de la gasolina, lo cual
conduce a una menor potencia y por ello el consumo de combustible aumenta entre un 15 y un 25%.
Sin embargo puede considerarse un combustible muy limpio porque su combustión sólo genera CO2 y
H2O (sin emisión de otros gases contaminantes como óxidos de S o de N).
En la actualidad el bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en materia
orgánica vegetal por parte de microorganismos (levaduras o bacterias). En la gráfica que se muestra se
puede ver el proceso completo de obtención de alcohol a partir de las principales materias primas que se
utilizan para su producción:
Azúcares, procedentes de la caña de azúcar o de la remolacha principalmente.
Cereales, mediante la fermentación de los azúcares del almidón. Se requiere la hidrólisis del
almidón mediante altas temperaturas y el uso de enzimas (amilasas).
Biomasa (fermentación de azúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa).
Producción de bioetanol por Zymomonas mobilis:
ZYMOMONAS MOBILIS
En el mundo occidental, las bebidas
alcohólicas se elaboran utilizando las
levaduras, principalmente del género
Saccharomyces. En las zonas tropicales de
América, África y Asia se producen bebidas
alcohólicas a base muy populares a partir de
jugos de frutas fermentadas por mezclas de
microorganismos en las que interviene una
bacteria del género Zymomonas. La principal
característica de esta bacteria es la de utilizar
la vía de Entner-Doudoroff en anaerobiosis
para degradarla glucosa. El rendimiento muy
elevado de conversión de la glucosa en etanol
por esta bacteria hace de ella una potencial
candidata para una producción industrial de
etanol por fermentación.
a. Aislamiento, identificación y cultivo:
Zymomonas presenta forma de bacilar de 2 a 6 µm de longitud y 1 a 1,4 µm de ancho. Se disponen
generalmente en pares.
Son móviles, ya que presentan de 1 a 4 flagelos, aunque esta movilidad puede ser perdida
espontáneamente.
No forman cápsulas ni esporas.
Son catalasa positiva y oxidasa e indol negativos.
No reducen los nitratos, el rojo neutro ni el tween 60 u80.
Presenta un pH óptimo de 7,3.
Las colonias en medio estándar son brillantes, blancas o cremas y miden alrededor de 2 mm de
diámetro tras 2días de incubación a 30 ºC. Presentan borde regular y es perceptible un olor frutado
cuya intensidad depende de la cepa.
Crece en medios con glucosa y fructosa y fermenta estos dos azúcares. Produce al menos un mol y
medio de etanol por mol de glúcido fermentado y también forma pequeñas cantidades de ácido
láctico y trazas deacetilmetil carbinol.
También pueden crecer en medios que contengan 2%(p/v) de extracto de levadura y 20% (p/v) de
glucosa o en un medio estándar a un pH entre 4,1 –5,2 si éste contiene 5% (v/v) de etanol o rojo
neutro (0,1% p/v).
El pantoteno y la biotina son indispensables para el crecimiento celular.
En aerobiosis hay poco o ningún crecimiento en medio sólido estándar y hay ausencia de
crecimiento en agar nutritivo.
El crecimiento de las células es sensible frente a discos que llevan 500 µg de sulfafurazol ó 30 µg
de novobiocinaó 10 µg de ácido fusídico.
b. Metabolismo:
Zymomonas sólo fermenta la glucosa, la fructosa y la sacarosa, por tanto presenta la particularidad
de no asimilar prácticamente ninguna otra fuente de carbono, aunque se ha reportado que pueden
metabolizar la rafinosa.
Para la fermentación de la glucosa utilizan la vía de Entner –Doudoroff.
La fermentación de estas dos hexosas se acompaña de una producción de gas importante y de una
acidificación del medio.
La mayoría de las cepas produce entre 1 y 1,6 moles de etanol por mol de glucosa o de fructosa
metabolizado.
Por cada mol de sustrato consumido, se producen dos moles de NADH, éstas se producen a nivel
del etanol deshidrogenasa y una parte menor a nivel de la lactato deshidrogenasa.
El rendimiento de ATP es de uno por un mol de hexosa degradada.
Zymomonas no posee sistema de transporte como la fosfoenol piruvato glucosa fosfotransferasa, ni
sistema de permeasa, sino más bien un sistema por difusión facilitada.
Presentan un sistema de transporte para la glucosa y fructosa que se asocia a una velocidad de
difusión elevada y una afinidad baja, esto la limita a vivir en un hábitat limitado a entornos con
altas concentraciones de azúcar.
c. Influencia del oxígeno e inhibición por el etanol:
Con respecto a la inhibición por oxígeno, se ha demostrado que Z. mobilis no es una bacteria
estrictamente aerobia. La aireación disminuye el rendimiento en etanol y la concentración en
ácido láctico, aumenta la velocidad de consumo específico de glucosa y la producción de ácido
acético. La inhibición es más importante sobre la productividad de etanol que sobre el
crecimiento celular. El efecto Pasteur está ausente y el rendimiento Yx/s no aumenta en
condiciones de aerobiosis.
Con respecto a la inhibición por etanol, Z. mobilis presenta probablemente la tolerancia más
elevada al etanol. Es capaz de producir etanol con concentraciones.
d. Aplicaciones industriales:
Z. mobilis interviene en la fermentación del vino de palma, de la cerveza chica, así como en la
fabricación del vino. Se asegura, además, que participaba en la fabricación de las cervezas
auténticas de la antigüedad.
También se ha utilizado para la conservación de jugos extraídos de remolacha y en el tratamiento
de desechos de la industria cervecera para uso como alimento en animales de granja (un uso
parecido se ha producido con la papa).
Otro uso dado ha sido para la elaboración de cervezas con bajo contenido de alcohol (0,7%), a esta
se la llama “cerveza dietética”. También ha sido empleada para desarrollar una nueva tecnología
en la producción de “pulque”.
Otra posibilidad de utilización de Z. mobilis es la producción a gran escala de etanol. Esto debido a
que su rendimiento de conversión es mayor que el de la levadura y a que puede producirlo a una
velocidad significativamente más elevada, además, esta bacteriano necesita oxígeno y presenta en
general una mejor tolerancia al etanol que la levadura. Como desventajas podríamos apuntar que la
cepa necesita de un pH de cultivo más elevado que el de las levaduras, y esto generaría un mayor
peligro de contaminación, además, sólo metaboliza un espectro muy reducido de sustratos:
glucosa, fructosa y sacarosa. En el futuro todos estos problemas podrán ser salvados gracias al
aporte de la Ingeniería Genética y la Biotecnología.
Producción de bioetanol:
El gran objetivo actual es facilitar y hacer más rentable la conversión de residuos lignocelulósicos en
etanol. Las tecnologías convencionales liberan los azúcares de estos residuos mediante un tratamiento
termoquímico que combina altas temperaturas y condiciones ácidas para la hidrólisis de celulosas y
hemicelulosas.
La situación ideal será disponer de microorganismos capaces de convertir los residuos lignocelulósicos
en etanol en un proceso conocido como SSF: simultaneoussacarificación y fermentación. Para ello:
a) Conseguir microorganismos capaces de fermentar tanto hexosas como pentosas (las cuales, como
xilosa y arabinosa están presentes en gran cantidad en las hemicleulosas).
b) Conseguir organismos capaces de degradar eficientemente las celulosas y hemicelulosas. En este
sentido puede ser interesante emplear los celulosomas, complejos multiproteicos de diversos tipos
de celulasas ancladas en una proteína que sirve de andamiaje y que tiene un dominio de unión a
celulosa.
Producción biológica de hidrogeno:
A diferencia de los combustibles fósiles, e incluso del biodiésel, bioetanol o combustión de biomasa, el
hidrógeno sería el combustible ideal debido a que su único producto de combustión es el agua: no añade
gases de efecto invernadero.
Potencialmente el hidrógeno puede emplearse tanto como combustible de automoción como
combustible para la generación de electricidad.
Fig. Electron transport to nitrogenase and hydrogenase in
photosynthetic microorganisms. A common pathway occurs in
cyanobacteria (to nitrogenase) and green algae hydrogenase.
Sites of ATP synthesis and hydrolysis are shown by wavy
lines with upward and downward arrows, respectively. Light-
driven reactions are denoted by hv.
Bioplásticos:
4.2.2. MICROORGANISMOS EN LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES
Microorganismos en la producción de bietanol.
Levaduras:
Debido a su alta productividad en la conversión de azúcares a bioetanol y a que se separan mejor
después de la fermentación. Además, la producción de toxinas es muy inferior a la de otros
microorganismos.
Entre las especies más utilizadas están:
Saccharomyces cerevisiae.
S. ellipsoideus.
S. anamensisi.
Candida seudotropicalis.
S. carlsbergensis.
Kluyveromyces marxianus.
Candida bytyrii.
Pichia stipatis.
Schizosaccharomyces pombe.
a. Características de los microorganismos utilizados:
Los microorganismos a utilizar deben cumplir con ciertas necesidades y características tales
como:
Tolerancia al alcohol
La tolerancia al etanol es un elemento importante en la selección de una cepa de levadura,
pues de su capacidad de mantenerse activa en condiciones crecientes de concentración
alcohólica en el medio dependerá el rendimiento del proceso.
Tolerancia a la alta temperatura
Muchas levaduras son sensibles a la temperatura; si ésta se eleva, la productividad puede
disminuir; los sistemas de enfriamiento son caros, por lo que hay una razón económica para
desarrollar cepas termo tolerantes, que trabajen a temperaturas por encima de 40ºC sin
pérdidas en la eficiencia, y que a la vez mantengan la estabilidad genética.
Tolerancia a la alta concentración de azúcares
Trabajar con altas concentraciones de azúcares produce mayor eficiencia y productividad del
proceso fermentativo.
Según investigaciones de la Universidad Rafael Landívar de Guatemala la cepa T-17 de
levadura Sacharomyces cerevisiae, aislada del jugo de caña, posee alta tolerancia a la
concentración de azúcares y a la temperatura, con elevada producción de bioetanol. En
condiciones industriales obtuvo mejores resultados en % alcohólico y eficiencia que la S.
cerevisiae "Hualien", que es la más ampliamente empleada en Taiwan.
b. Otros microorganismos utilizados:
Uso de cultivos mixtos:
Con relación al empleo de cultivos mixtos en la fermentación alcohólica la Universidad
Rafael Landívar de Guatemala reportan algunos trabajos con levaduras. Con cultivos
formados por dos levaduras: S.cerevisiae- S.carlsbergensis, en proporción 4:1 en el orden
mencionado, se favoreció el incremento en la producción de alcohol, como resultado de la
fermentación completa de la rafinosa por la segunda.
La misma fuente plantea que hay una gran tendencia actual a utilizar bacterias; entre ellas se
destaca la Zymomonas mobilis. Se reportan productividades tres veces mayores para
la Z.mobilis en comparación con la S. cerevisiae usando concentraciones de glucosa de 150
g/L o más bajas. La viabilidad de la Z. mobilis se mantiene durante la producción de etanol; se
logran buenos rendimientos, así como el acortamiento del ciclo fermentativo respecto al que
se obtiene con las levaduras.
Otras bacterias mesófilas han sido utilizadas en la producción de etanol por fermentación,
tales como:Clostridiumsporogenes, Cl.indolicus, Cl. sphnoides, Zimomonas mobilis, Erwinia
amilovora, Spirocheta aurantia, Streptococus lactis, Spirocheta litorales y Spirocheta
stenostrepta, con satisfactorios resultados de productividad. Se realizaron experimentos a
escala de laboratorio con bacterias termófilas con rendimientos aceptables.
Se han investigado las características del Clostridium saccharobutyricum y su
comportamiento en la fermentación, y se demostró que acelera la formación de alcohol
durante la fermentación por levadura. Se encontró además que el mejor rendimiento en la
producción de ron y en su aroma fue obtenido cuando la relación de levadura a bacteria era de
1: 5. Las bacterias son añadidas cuando la concentración de alcohol es de 3,5 a 4,5 (V/V) y el
contenido de azúcares igual o menor a 6 g / 100 mL de batición.
Otras experiencias realizadas con Clostridium pasteurianum demostraron que producen ácido
butírico principalmente y que el Clostridium butyricum A.T.C.C. 6015 produce ácidos
volátiles.
La Universidad Rafael Landívar de Guatemala reporta estudios con cultivos mixtos o
microorganismos trabajados genéticamente cuyo objetivo fundamental es lograr utilizar
sustratos complejos de degradar, que incluso en algunos casos son residuos. Las
bacterias Escherichia coli y Zymomonas mobilis y la levaduraSaccharomyces cerevisiae han
sido objeto de estudios desde el punto de vista genético para ser utilizados en la sacarificación
y fermentación de la celulosa, la utilización de residuos agrícolas, sueros y almidones. La
misma fuente reporta estudios de cultivos mixtos de hongos y levaduras como Trichoderma
viride y Pachysolen tannphylus, Aspergillus ninger y Saccharomyces cerevisiae para lograr
estos objetivos.
Microorganismos en la producción de biodiesel:
La síntesis del biodiesel se realiza normalmente por medio de los procesos químicos de esterificación y
transesterificación, pero hoy en día podemos hablar de un tipo de algas y de bacterias capaces de
producir biodiesel de una forma más sencilla, barata y ecológica.
a. Algas
Una empresa holandesa establecida en Roosendaal, Algaelink, ha inventado una tecnología basada
en el mismo proceso que la Naturaleza lleva haciendo desde el comienzo de la vida. El
fotobioreactor de Algaelink ha mejorado y acelerado la fotosíntesis natural, y puede fabricar algas
que se duplican cada 24 horas. Su crecimiento es tan rápido que el gasto de energía para producirlas
es comparativamente muy bajo para así convertirse en biodiesel.
Las algas en su desarrollo absorben CO2, y también son alimento para los seres humanos y el
ganado por su alto contenido en proteínas, minerales y vitaminas. Para crecer, las algas necesitan
sólo agua y CO2. Por debajo de quince grados de temperatura el grado de crecimiento es bajo, así
que necesitamos la temperatura ideal está entre 15 y 25 grados. Cada kilo de algas consume para su
crecimiento entre 2 y 3 kilos de CO2 así que las algas son el mejor sistema de captura y
almacenamiento de CO2 del mundo. fotobioreactor consiste en unos tubos transparentes tan largos
como se quiera, con agua y luz en su interior.
a. Bacterias
Según estudios realizados por por Alexander Steinbüchel y sus colaboradores de la Universidad de
Munster en Alemania, han creado por ingeniería genética una variedad de bacteria Escherichia coli
mediante el añadido de genes de otras especies. Dos genes proceden de la bacteria Zymomonas
mobilis y son los que controlan la producción alcohol a partir de glucosa. Un tercer gen procede de
la bacteria Acinetobacter baylyi y permite a la nueva bacteria combinar el alcohol con el aceite y
producir biodiesel. Esta bacteria es por tanto capaz de medrar en una mezcla de aceite y azúcar y
producir biodiesel directamente. La meta final de este grupo de investigadores es la producción de
biodiesel de este modo, pero a partir de desechos vegetales en lugar de los aceites, que son caros de
producir.
Microorganismos utilizados en la producción de hidrogeno como combustible:
Microorganismos involucrados en cada fase de digestión anaeróbica
Las especies de microorganismos involucrados en el proceso varían dependiendo de los materiales
que serán degradados. Los alcoholes, ácidos grasos, y los enlaces aromáticos pueden ser degradados
por la respiración anaeróbica de los microorganismos.
Estos utilizan, entre otros nutrientes, el nitrato (Paracoccus denitrificans, Pseudomonas stutzerii),
azufre (Desulfuromonas acetoxidans, Pyrodictium occultum), sulfato (Desulfovibrio desulfuricans,
Desulfonema limicola ), carbonato (Acetobacterium woodi, Clostridium aceticum,
Methanobacterium thermoautotrophicum), fumarato (Escherichia coli, Wolinella succinogenes ) o
Fe(III) ( Alteromonas putrefaciens ) como aceptores de electrones, por lo que pueden denominarse
reductores de nitrato, reductores de sulfato, etc.
Bacterias que participan de la hidrólisis
Los microorganismos de muchos géneros son los responsables de la hidrólisis. Entre estos destacan:
Bacteroides, Lactobacillus, Propioni- bacterium, SphingomonaSporobacterium,Megasphaera,
Bifidobacterium.
Bacterias que participan de la acidogénesis:
La mayoría de los microorganismos acidogénicos también participan de la hidrólisis. El género
Clostridium, Paenibacillus y Ruminococcus están presentes en todas las fases del proceso de
fermentación, pero son dominantes en la fase acidogénica.
El grupo Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides representa el segundo grupo más grande de
microorganismos durante las dos primeras fases de la descomposición. Sin embargo, en la fase
metanogénica representan menos del 5% del total de microorganismos. Esto indica que estos grupos
son los principales responsables de la degradación de compuestos monoméricos.
Bacterias que participan de la acetogénesis:
Estas bacterias sólo pueden sobrevivir en simbiosis con el género que consume hidrógeno.
Todos los microorganismos acetogénicos tienen un período de regeneración de hasta 84 h.
Las bacterias acetogénicas reductoras de sulfato son capaces de degradar lactato y etanol, pero no
son capaces de degradar ácidos grasos y compuestos aromáticos.
Bacterias que participan de la metanogénesis:
La última fase de la descomposición anaeróbica se encuentra dominada por un grupo especial de
microorganismos, las Arqueas metanogénicas. Estas se caracterizan a través del co-factor F420, el
cual actúa en presencia de hidrogenasas como transportador de H2. Este puede detectarse por su
autofluorescencia en un microscopio óptico.
Las metanogénicas activas aparecen en la segunda fase de la fermentación, la fase de acidogénica.
Sin embargo, obviamente el número de Arqueas metanogénicas aumenta en la fase metanogénica.
Las principales especies están representadas por Methanobacterium, Methanospirillum hungatii , y
Methanosarcina.
Especies metanotróficas:
Las especies metanotróficas (especies que consumen metano) se encuentran presentes en todas
partes, pero no son deseables en una planta de producción de biogás. La mayoría de estos son
aeróbicos. Estos microorganismos utilizan el oxígeno para degradar el metano y obtener su energía.
Los productos metabólicos son el agua y el dióxido de carbono.
Los metanotróficos aeróbicos degradan aproximadamente el 17% de todo el metano en la atmósfera.
Además de estos, existe otro grupo de metanotróficos, que es capaz de consumir metano, sin
necesidad de oxígeno. Estos se encuentran en su mayoría en los sedimentos marinos. Los
microorganismos metanotróficos sintetizan sus lípidos a partir del metano.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas.
El menor nivel de impactos ambientales.
Un mayor rendimiento en combustible o energía por hectárea, debido a que es posible aprovechar el
total de la biomasa;
El potencial encerrado en el aprovechamiento de una vasta gama de materia prima, y en particular,
de residuos o desechos como paja o madera y otros residuos de biomasa.
La posibilidad de "diseñar" combustibles sintéticos a fin de optimizarlos en cuanto a su eficiencia
energética y
Bajo nivel de emisiones.
Desventajas.
Los biocombustibles tienen algunas desventajas. Una de ellas es que no son más baratos que los
derivados del petróleo. Es porque la materia prima de estos no debe ser producida pero sí la de los
biocombustibles.
La producción y el uso de biocombustibles como son el uso de fertilizantes en la siembra y cosecha
de material agrícola, el material agrícola debería de ser usado para el consumo humano y no para la
elaboración de biocombustibles, países asiáticos han empezado a destruir bosques y selvas con tal de
contar con zonas para la siembra agrícola para la síntesis de biocombustibles y el aumento en el
precio de los alimentos en los países en desarrollo.
4.3. HIPOTESIS:
Dado los avances en el conocimiento sobre la producción de biocombustibles, que demuestran su gran
demanda, su rentabilidad y la factibilidad de la mayoría de estas tecnologías; entonces puede esperarse
que la aplicación de estas tecnologías en nuestro medio sea factible y productiva.
4.4. VARIABLES:
Cantidad de sustrato de alimentación.
Concentración microbiana.
Temperatura.
Concentración de nutriente.
Alcalinidad.
PH.
Concentración de metabolitos.
Cinética de crecimiento microbiano.
Tiempo de retención.
Rendimiento.
5. METODOLOGÍA Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
5.1. PROCESAMIENTO:
El procedimiento a seguir será como se indica a continuación para cada caso
5.2. PRODUCCIÓN DE ETANOL
Material y métodos
Origen de las Zymomonas spp.
Muestras de jugos naturales frutos vegetales se colectaron en frasco estéril de 50 ml, transportadas en hielo
al laboratorio para su procesamiento.
Detección de Zymomonas spp.
Se realizó en tubos en CELMG o caldo extracto de levadura g/L: 3g, extracto de malta 3, peptona de caseina
5, glucosa 20; 100 ppm de cicloheximida y 3% de etanol, a un de pH 5.0 ajustado con ácido láctico, c/tubo
con un Durham invertido. Los tubos se incubaron a 30°C/24 a-48 h, la presencia de Zymomonas se detectó
por producción de gas y la morfología típica: diplobacilos cortos Gram Negativos. Este etapa se repitió para
su aislamiento en cultivo axénico.
Aislamiento de Zymomonas spp.
Los tubos positivos en la etapa anterior, se sembraron en cajas de Patri con agar (1.5%) y ELMG incubadas
a 30°C/24-48h. Se seleccionaron aquellas colonias típicas de Zymomonas y por resiembra en el ELMG sin
etanol en placa, así se obtuvieron los cultivos axénicos (5,20).
Identificación de los aislados.
Se usó el Manual de Bacteriología Determinativa de Bergey’s novena edición del 2000 (1). Con base en
las pruebas para la identificación de Zymomonas sp se incluyó la cepa de colección Z. mobilis ATCC 10988
como patrón de referencia y comparación (3).
Conservación de los aislados.
Los aislados al igual que la cepa de colección de Zymomonas, se resembraron mensualmente en agar ELMG,
sin etanol con cicloheximida y conservaron a 10°C en refrigeración.
Producción de etanol.
Para comprobar la capacidad de síntesis de etanol de los aislados de Zymomonas, se siguió el
siguiente protocolo: Fermentación. Los aislado se activaron en CELMG sin etanol y cicloheximida, se
incubaron a 30°C/24-48h, posteriormente se tomó una asada de c/u para sembrar un matraz de 500 ml con
250 ml de CELMG, el cual se incubo a 30°C, a 100 rpm en agitador rotatorio/24-48h, de esté se sembró otro
matraz con CELMG para la síntesis de etanol. Producción de etanol. Cada aislado activado en CELMP, se
usó el 5% (v/v) de i para un matraz de 250ml. con 150ml. de medio de producción de etanol g/L: KH2PO4
2, extracto de levadura 10 y 10, 30, 50, 100 y 150. de glucosa en agua destilada a pH 5.0 ajustado con ácido
láctico, las sales se agregaron después de esterilizar la base (17-21), cada aislado se sembró por triplicado,
en condición estática y en agitación a 100 rpm a 30°C por 120 h se tomaron 5ml cada 24 h. en tubos con
tapón de rosca para medir: Cuantificación de etanol. La muestra de la fermentación se congelaron hasta
la medición de etanol, se centrifugaron a 3000 rpm/20 min a baja temperatura, el sobrenadante transferido a
viales, para posteriormente medir concentración de etanol por cromatografía de gases Beckman Mod. GC
72-5, con detector de ionización de flama, nitrógeno como gas acarreador y columna de acero inoxidable de
6 pies de largo y 1/8 de pulgada de diámetro empacada con Porapak Q en análisis cromatográficos, se
utilizaron las siguientes condiciones (10,13). Flujo de Nitrógeno 40 c.c./min., flujo de Hidrógeno 40
c.c./min., flujo de aire 230 c.c./min., temperatura de Columna 180 °C., temperatura de Inyector 170°C.,
temperatura de Detector 160°C., detector de ionización de flama, atenuación de Registro 0.8, velocidad de la
Carta 0.1 pulg/min., volumen inyectado 1.0 microlitro.
Medición de crecimiento. Cada aislado se midió la turbidez (D.O.) a 600nm (2,4,5) en un espectrofotómetro
Coleman Junior II, cada 24 h durante la fermentación.
Azúcares totales. La muestra utilizada para la cuantificación de etanol, también se emplearon para
determinar azúcares totales en el medio de cultivo, por el método de la Antrona con una curva de calibración
con estándares de glucosa (3).
Producción de etanol por Zymomonas
Resultados y discusión.
A partir de aguamiel de maguey, de caña de azúcar, de pulque, y de jugo de uva, se recuperaron 15 aislados
de Zymomonas spp como se muestra en el cuadro 1, en donde se comprueba que este el género es
cosmopolita y relativamente fácil de encontrar en la naturaleza, según se reporta en la literatura (1-4). En
referencia a las pruebas bioquímicas de los aislados silvestres en comparación con la cepa de colección Z.
mobilis ATCC 10988 de acuerdo con Bergey’s del 2000 (1), tuvieron morfología celular similar a la cepa de
referencia: fueron diplobacilos Gram Negativos, móviles a excepción el aislado R4, mientras que los
aislados silvestres respondieron negativamente a la síntesis de: oxidasa, la ureasa, la gelatinasa, el indol y la
reducción nitratos, pero si liberaron catalasa y todos fermentaron la glucosa.
La cepa ATCC 10988 y el aislado denominado Zymomonas sp U I, fueron positivas al ácido sulfhídrico y la
producción de gas de glucosa, a la fermentaron de fructosa y sacarosa con generación etanol, en donde la
cepa ATCC 10988 creció mejor que los aislados en el medio de cultivo con diferente concentración de
glucosa (11-14), aunque solo el aislado U I, genero etanol.
Los 15 aislados silvestres de Zymomonas fueron clasificados como Z. mobilis ya que fermentaron la glucosa
a diferente concentración de 10, 30, 50, 100 y 150g/L, pero con una mínima liberación de etanol en
comparación con la cepa Z. mobilis ATCC 10988 tanto en condición estática como en agitación a 100 rpm,
mientras que la ATCC10988 con un nivel de glucosa de 10, 30, 50, 150g/L libero etanol hasta 104g/L de
manera similar en agitación y como en condición estática, debido a lo anterior se seleccionó a Z. mobilis U I
aunque sintetiza levano .
El cuadro 3 muestra el análisis comparativo del máximo rendimiento celular, entre la Z. mobilis silvestre UI
de 0.17 en agitación a 0.15 estática en 10g/L de glucosa, mientras que para la ATCC 10988 fue de 0.36 y
0.69 en agitación con 10 y 150g/L de glucosa en el medio de cultivo (19-21).
Por otro lado se observó que la mayoría de los aislados silvestres producen levano, actualmente se analiza la
capacidad que tienen y el potencial para su posible explotación.
Conclusiones
Los resultados de ambos cuadros 1 y 2 demuestran que si bien es posible recuperar Z.mobilis de jugos
naturales la selección para la producción de etanol es un trabajo de tiempo, si se desea que esa capacidad sea
natural, dado el contraste entre lo que libera la cepa de colección de la silvestre, pues con el avance de
la ingeniería genética es posible seleccionar una Zymomonas spp mejor que la típica Saccharomycesspp,
para la producción masiva de etanol que ayude a minimizar el impacto de la disminución combustibles
del petróleo.
Cuadro 1. Origen de los aislados de Zymomonas mobilis productoras de levanoa etanolb y/o de algunas
regiones de México.
Aislado Fuente de aislamiento Sitio
B 1a Jugo agave* Bustamante, N. L**.
B 2a Jugo agave* Bustamante, N. L.
B 3a Jugo agave * Bustamante N. L.
E 2a Aguamiel maguey Iturbide, N. L.**
E 3a Aguamiel maguey Iturbide, N. L.
R 3a Jugo de agave Laguna de Sánchez, N. L**.
R 4a Jugo de agave Laguna de Sánchez, N. L.
R 5a Jugo de agave Laguna de Sánchez, N. L.
R 6a Jugo de agave Laguna de Sánchez, N. L.
Z 4a Mosto con 24 h* Tequila, Jal.***
Z 5a Mosto con 24 h*. Tequila, Jal.
Pa Pulque Matehuala, S. L. P.+++
Fa Pulque Fortín Ver. +
Ta Pulque Yondije, Edo. de Méx++.
U I ab Jugo de uva Monterrey, N. L.**
*jugo o mosto en fermentación, **noreste, ***centro occidente, nororiente+++, +Costa noreste, ++centro de
México.
Cuadro 2. Análisis comparativo de la producción de etanol por
Zymomonas mobilis** de colección y un aislado de jugos de frutos vegetales de algunas regiones de México.
Glucosa
(g/L)
Z. mobilis
ATCC 10988
Z. mobilis
U I
Estática Agitación Estática Agitación
10 5.30 3.60 1.49 1.72
30 16.45 15.50 1.80 3.28
50 29.29 33.60 1.60 4.40
100 54.50 53.45 1.27 4.00
150 70.00 104.67 1.34 3.00
**Condiciones de fermentación: Inóculo 5%, agitación 100 rpm
30°C, pH 5.0
Cuadro 3. Análisis comparativo del rendimiento de producción celular (Y=p/s) entre Zymomonas
mobilis* de colección y un aislado silvestre de jugos naturales de vegetales de algunas regiones de México.
Glucosa
(g/L)
Z. mobilis
ATCC 10988
Z. mobilis
U I
Estática Agitación Estática Agitación
10 0.53 0.36 0.15 0.17
30 0.54 0.51 0.06 0.11
50 0.58 0.67 0.032 0.08
100 0.54 0.53 0.013 0.04
150 0.46 0.69 0.009 0.02
*condicione similares en agitación al cuadro 2.
5.3. PRODUCCIÓN DE METANO
METODOLOGÍA Para diluir los desechos se debe recolectar el estiércol fresco de ganado vacuno e inmediatamente se
preparará la mezcla de estiércol con base en la metodología descrita por Martí (2008).Para elaborar el
biodigestor se consultará el Manual sobre la producción de gas metano en biodigestores. Para comprobar
la efectividad del Biodigestor se suministrará en total 15 litros de la mezcla (estiércol/ agua) en 3
porciones de 5 litros cada tercer día cuidando algunos factores como la ausencia de oxígeno, la humedad y
lograr la producción de gas metano
Definición de biodigestor
Un biodigestor es un contenedor cerrado, hermético e impermeable (llamado reactor), dentro del cual
se deposita el material orgánico a fermentar en determinada dilución de agua aprovechando la
digestión anaerobia (en ausencia de oxigeno) de las bacterias que ya habitan en el estiércol, para
transformar este en biogás y fertilizante7
.
ELEMENTOS DE UN BIODIGESTOR
Fig. 4 Esquema General del Biodigestor
ANEXO
Fotografía 2 (abajo). El collage presenta la
construcción del Biodigestor
BIOQUMICA.
Fotografía 1 (arriba). Después de haber
asistido a las asesorías en la UJAT, se
realizó la lista de materiales.
Posteriormente se hizo la compra de éstos.
Fotografía 3 (izquierda). Antes de la introducción del
substrato al biodigestor, se checó que no hubiera fugas,
se pintó el biodigestor y la base de éste.
Fotografía 4. Recolección del
material de substrato para el
biodigestor.
Fotografía 5. Dilución del estiércol
Del ganado vacuno.
Fotografía 6. Introducción del material
substrato al biodigestor
DISCUSIÓN
El biogás metano es una fuente alternativa de energía que es utilizada, en gran escala, en
países como Colombia, Costa Rica y Bolivia; sin embargo, en nuestro país aún se está dando a
conocer este biocombustible y las tecnologías para su producción. De utilizarse esta tecnología en
comunidades marginadas donde aún no cuentan con servicio de energía eléctrica y/o gas LP
resultaría de gran ayuda porque superarían sus carencias y tendrían mejores condiciones de vida.
También evitan problemas de contaminación de aguas, malos olores o criadero de insectos.
RESULTADOS
Después de dejar fermentar la mezcla de estiércol con agua, esperamos 30 días hasta que hubo
una cantidad suficiente de gas metano. Posteriormente este gas se utilizó, obteniendo la
combustión que se esperaba.
CONCLUSIÓN
Para que se pueda realizar este proceso, en el cual intervienen diferentes tipos de microorganismos,
se debe utilizar un biodigestor, que es un recipiente hermético para que las condiciones sean
anaerobias. Por lo tanto cualquier recipiente que cumpla estas condiciones puede funcionar como
un biodigestor, por ejemplo un garrafón de plástico de 20 litros.
5.4. PRODUCCIÓN DE HIDROGENO
PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO GASEOSO
La producción de hidrógeno gaseoso. A partir del agua, mediante esta fenomenología requiere
manipular la secuencia de reacciones bioquímicas, interactuando con la célula completa (pero sin
modificarla en principio), en alguna modalidad que obligue la aparición de gas hidrógeno que, de
ser dejado al sistema natural, no sería producido en absoluto hacia el medio exterior a la célula. Se
han popularizado dos alternativas tecnológicas, a un nivel solamente de laboratorio y de algunos
ensayos piloto.
En el primer proceso, la producción de oxígeno fotosintético, con la consecuente acumulación de
carbohidratos, está separada de la producción de gas hidrógeno, tanto temporal como
espacialmente. Este es un proceso de dos estados: el CO2 es primero fijado a sustratos ricos en H2-
endogeno durante fotosíntesis oxigénica normal (estado 1), seguido por generación de hidrógeno
molecular cuando las micro algas son incubadas en condiciones anaeróbicas (estado 2). Este
enfoque requiere, por ende, de un sistema de cultivo y de otro sistema aparte para la generación de
hidrógeno.
La segunda aproximación está relacionada con la producción de oxígeno fotosintético y gas
hidrógeno simultáneamente. En este caso los electrones son liberados de la oxidación del agua y son
conducidos a la hidrogenasa sin estar mediado la fijación de CO2 ni el almacenamiento de energía
como metabolitos celulares. Este mecanismo en el proceso de generación de H2 ha resultado
superior al proceso de dos estados, ya que se han obtenido eficiencias de conversión de energía
(luminosa a gas hidrógeno) de un 5 a un10% (del orden de magnitud de la eficiencia de celdas
fotovoltáicas. Sin embargo, este proceso "de un estado" tiene limitaciones principalmente por la
inhibición de la hidrogenasa por el oxígeno que es producido por la disociación del agua por el PS
II.
PROCESO DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO DE DOS ESTADOS
Como se mencionó anteriormente, en la etapa 1 (fotosíntesis oxigénica) se busca conseguir una
acumulación de carbohidratos vía ciclo de Calvin. Luego estas células son incubadas
anaeróbicamente por un cierto período para inducir la expresión de genes que codifican para la
hidrogenasa reversible y de otros genes que pueden ser esenciales para la producción de H2. En una
segunda etapa, estas células son operadas bajo condiciones anaeróbicas y en presencia de luz con la
consecuente producción de hidrógeno. Esta evolución de H2 puede deberse a dos mecanismos: uno,
producto de la fermentación de carbohidratos vía fermentación de ribulosa 5-P y generación de
CO2e hidrógeno; pero, también puede explicarse por el aporte de electrones directamente a la
maquinaria fotosintética modificada (tecnológicamente) por las condiciones de anaerobias.
PROCESO DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO EN UN ESTADO
Se ha descrito que bajo ciertas condiciones de limitación de nutrientes, con un medio libre se azufre
(como sulfato) y en condiciones anaerobias, algunas microalgas como Chlamydomonas
reiinhardtison capaces de producir hidrogeno de manera sostenida en el tiempo (Melis et.al., 2000).
La falta de sulfato en el medio genera un desacoplamiento del PS II y una pérdida en la disociación
del agua (y también de generación de oxígeno). La pérdida de actividad del PS II se debe a la alta
tasa de biosíntesis de proteína de "novo" en el cloroplasto, necesaria para el frecuente reemplazo de
proteínas del centro de reacción en el complejo que oxida H2O en el PS II. En ausencia de azufre,
que es un componente esencial de los aminoácidos cisteina y metionina, la biosíntesis y la
reparación del PS II se bloquea (Ghirardi et.al., 2000; Melis A, 1999). Este desacoplamiento
permite la producción sostenida de hidrogeno en este proceso también de dos estados. Los
electrones en este proceso son aportados por el consumo de sustratos endógenos. Tales electrones
pasan a través de la plastoquinona al complejo b6f y al PS I, con un transporte acoplado a la
hidrogenasa reversible, para generar finalmente H2 y ATP. El oxígeno remanente es consumido en
la ruta de fosforilación oxidativa. Este proceso incluye la habilidad de reciclar el cultivo
repetidamente, regular la producción de oxígeno fotosintético y la utilización de productos de
fermentación excretados. Benemann propuso este concepto en 1998.
En la biofotólisis directa, la producción de hidrógeno depende de la tolerancia de la hidrogenasa al
oxígeno ya que en este proceso se generan los dos gases en forma simultánea. Este proceso no es
sostenible en el tiempo ya que el oxígeno inactiva a la enzima hidrogenasa.
PROCESOS PROPUESTOS PARA LA GENERACIÓN DE HIDRÓGENO.
Primera alternativa de proceso
Este proceso consiste en biofotólisis indirecta con dos estados
El proceso comprende una laguna abierta para el estado I de fijación de CO2 y fotodisociación del
agua por el fotosistema II con la consiguiente producción de O2. En esta etapa se generan
compuestos de acumulación como carbohidratos y un aumento de la biomasa. Una etapa de
concentración celular por filtración y lavado para remover el sulfato presente, conservando los
demás nutrientes, seguido de una etapa (Estado II) de adaptación en fase oscura y anaerobia del
concentrado celular y una posterior fermentación y producción de H2 en un fotobioreactor tubular
cerrado
El diagrama de flujos del proceso propuesto debe incluir diversas unidades de proceso y líneas de
flujo, las que se presentan en le diagrama 1. Estas unidades parecen todas técnicamente factibles,
pero sus tamaños son considerables y lo serán mientras no se logre un dramático aumento de la
eficiencia, mediante, por ejemplo, manipulación genética.
La entrada al proceso (línea 1) estará dada por una línea de alimentación con agua de mar filtrada
mediante arena y captada a través de un pozo, más medio de cultivo. Esta se bombea a la línea 2 en
la cual se mezclan con una parte de la línea 3 (agua de lavado del medio de filtración) y la línea 4 de
recirculación de biomasa.
La entrada al proceso tiene la composición de un medio de cultivo basado en agua de mar
paraSpirulina platensis.
La línea de recirculación tendrá los mismos compuestos, en concentraciones más bajas y sin sulfato
por el efecto de la línea de lavado en la etapa de la separación de sólidos por filtración. La mezcla
resultante (línea 5) es la que ingresa a una laguna de producción de biomasa de microalgas. La
laguna puede recibir, además el ingreso de aire (línea 23) mediante un compresor hacia la línea 30,
en un proceso abierto a la atmósfera (línea 24). Dentro de la laguna existen sólidos (células y
precipitados) que se retiran por la línea 6 y gases (oxígeno y aire) que se emiten libremente a la
atmósfera (línea 24).
El pH de operación de la laguna debido a las condiciones de crecimiento de las microalgas será de
carácter básico.
Las conversiones dentro de la laguna serán:
Fotodisociación del agua producto de la activación del Fotosistema II y el consecuente transporte de
electrones.
Producción de oxígeno debido a la fotodisociación del agua.
Generación de poder reductor (NADH) que es utilizado para la fijación de CO2 y la consecuente
acumulación de carbohidratos (almidón, etc.) que lleva a la formación de biomasa.
La línea de salida del reactor (línea 6) se llevara hacia la línea 7, que se mezcla en una etapa
controlada con la línea 25 generando la línea 8 para entrar a una etapa de concentración celular. El
lavado del sulfato presente en el medio se realiza con agua salina sin sulfato (línea 25). La elección
del sistema de concentración celular se deberá examinar en este estudio. En esta etapa se obtendrá
un filtrado compuesto de agua de mar y agua de lavado (línea 9) la que mediante una bomba
conecta a la Línea 4 hacia la recirculación. Para extraer las microalgas del sistema se utiliza el
mismo medio pero en contracorriente utilizando las líneas 11 y 12 generando un medio semisólido
(slurry) que va por la línea 13 hacia un estanque de fermentación oscura anaerobio.
Las conversiones dentro del estanque de almacenamiento anaeróbico (reactor) serán:
Expresión génica de la hidrogenasa debida a los cambios ambientales impuestos por el diseño, a
saber: oscuridad y anaerobiosis.
Producción de hidrógeno bajo estas condiciones.
La línea de salida de gas del estanque de almacenamiento llevará el gas hidrógeno producido a los
correspondientes procesos de purificación final.
La salida de concentrado de microalgas será transportada hacia la línea 15 que entra al
fotobioreactor
Las conversiones dentro del fotobioreactor serán:
Utilización de la energía acumulada por las microalgas para la generación de hidrogeno vía
hidrogenasa.
Inhibición del fotosistema II debido a la ausencia de sulfato en el medio.
Transporte electrónico en presencia de luz debido a la activación del fotosistema I transferencia
hacia la ferredoxina y luego a la hidrogenasa.
Producción de hidrogeno
La línea 29 transporta los gases (hidrógeno) producidos por el fotobioreactor en fase luminosa.
La línea 18 lleva a un intercambiador de calor, luego reciclada hacia la línea 19 y 20 que se mezcla
con la línea de entrada (línea 16) a una biomasa determinada, para regular la temperatura del líquido
en reacción. El exceso de biomasa se utiliza (línea 21) para ser transportada a la línea 22 y pasar a la
línea 4 para ser utilizado como inoculo a la laguna de crecimiento de microalgas. El exceso de
biomasa (línea 26) será utilizado en un posterior tratamiento (generación de metano por digestión
anaeróbica, o la utilización de esta biomasa para la producción de bioproductos como biodiesel,
pigmentos, etc., de alto valor comercial). El exceso de agua de lavado (línea 10) se descarta.
Las líneas 28 y 29 serán mezcladas para la posterior separación de los gases y el almacenamiento
del hidrógeno producido.
En resumen el proceso producirá gas hidrogeno, más biomasa y agua de lavado como desechos. La
biomasa puede ser tratada para producir compuestos de valor como, proteína de alto valor, biogas,
biodiesel y pigmentos.
Conclusiones respecto de la primera alternativa de proceso
Las reacciones bioquímicas involucradas en cada uno de los procesos (el clásico y el desacoplado)
Son las mismas en cuanto a la producción de hidrógeno por la vía fermentativa. La diferencia, es
que en la vía clásica el fotosistema II estaría activo y el oxígeno producido iría a respiración celular.
En la vía desacoplada el fotosistema II no estaría presente y no se produciría oxígeno.
La producción de hidrógeno por la cianobacteria Spirulina platensis, es mayor que para
microalgaChlamidomonas reinhardtii. Es interesante notar que la cianobacteria no tiene organelos
celulares y toda la maquinaria fotosintética estará ubicada en estructuras como tilacoides. Esto
puede ser una ventaja en el momento de la difusión del oxígeno y el hidrógeno.
Para poder generar 1 GW/h se necesitaría un área de fotobioreactores de 6400 Há, o 64 Km2, más
las 20000 Há, (200 Km2) de área de lagunas; bajo la tasa de producción descrita para escala de
laboratorio, por lo que es necesario estimar las tasas de producción a escala piloto.
Otro punto crítico de este sistema es el trabajo con agua de mar que complica la remoción del
sulfato por lavado ya que esta contiene grandes cantidades (del orden de g/L).
De acuerdo a los recientes estudios realizados por Melis, se puede diseñar un proceso como el
esquematizado en la figura 4.
SEGUNDA ALTERNATIVA DE PROCESO
Este consiste en el uso de fotobioreactores tubulares planos (figura 4), que operan en dos ciclos. Un
ciclo en el cual hay crecimiento de las microalgas y /o recuperación de ellas, bajo condiciones
aeróbicas y en presencia de CO2 o NaHCO3, el otro ciclo comprende la producción de H2 bajo
condiciones de operación anaeróbicas y en presencia de luz. Estos dos ciclos ocurren en el mismo
fotobioreactor. Tenemos además una etapa de concentración celular para obtener el óptimo de
biomasa necesaria para la producción de hidrógeno deseada. El diagrama N°2 muestra los flujos del
proceso cuyas etapas (Etapa I aeróbica, Etapa II anaeróbica) fundamentales son descritas.
Las líneas marcadas en rojo indican la operación del proceso bajo las distintas condiciones
(aeróbica y anaeróbica).
La entrada del proceso (línea 1) lleva agua la cual es filtrada por un equipo de microfiltración, la
salida (línea 2) contiene agua filtrada. La línea 3 son los residuos de la filtración. Esta agua filtrada
ingresa (línea 2) a un estanque de preparación del medió de cultivo de las microalgas. Esta agua se
mezcla con sales a una concentración controlada de ellas, principalmente en el contenido de sulfato.
La línea 17 ingresa al estanque con solución salina concentrada más bicarbonato de sodio. La salida
del estanque de cultivo (línea 4) ingresa a la línea de circulación de biomasa (línea 14)saliendo
(línea 5) una mezcla de biomasa más nutrientes. Este proceso opera solo bajo condiciones
aeróbicas. Ya en la línea de circulación (línea 5), ésta ingresa al fotobioreactor.
El pH de operación del fotobioreactor debido a las condiciones de crecimiento de las microalgas
será en torno al pH básico. La temperatura optima en torno a los 25 °C.
Las conversiones dentro del fotobioreactor serán:
Para el ciclo aeróbico y en presencia de CO2:
Generación de biomasa.
Acumulación de carbohidratos y proteínas.
Producción de O2 y consumo de CO2.
Para el ciclo anaeróbico:
Utilización de la energía acumulada por las microalgas para la generación de hidrogeno vía
hidrogenasa.
Inhibición del fotosistema II debido a la ausencia de sulfato en el medio.
Transporte electrónico en presencia de luz debido a la activación del fotosistema I transferencia
hacia la ferredoxina y luego a la hidrogenasa.
Producción de hidrogeno.
La salida del fotobioreactor (línea 6) ingresa a un gasificador/degasificador. En operación aeróbica
hay ingreso de aire y CO2 vía la línea 16, generando O2 que va a la atmósfera vía la línea 15. La
línea 7 transporta a través de una bomba hacia la línea 8 que pasa por un separador de corriente
hacia un sistema de microfiltración (línea 10) para la concentración de la biomasa celular. El agua
(línea 12) es reciclada. La salida del microfiltro (línea 11) pasa por un sistema de mezclado de
corrientes saliendo por la línea 13 hacia un intercambiador de calor y luego hacia la línea 14. El
proceso descrito en la Etapa 2 anaeróbica es similar al anterior con la diferencia que no habría
ingreso de medio de cultivo y el gasificador /degasificador sólo operaría como degasificador
permitiendo la salida del hidrógeno producido.
5.5. PRODUCCIÓN DE PROTEÍNAS UNICELULARES
5.5.1. Parte experimental:
Sector de la técnica:
La presente invención se enmarca dentro de los sectores de industrias de depuración
medioambiental (biotecnología ambiental), fermentación e industria quesera y de lechera, y en la
industria alimentaria
La cepa de Kluyveromyces maxianus ha sido seleccionada por sus altos índices de productividad en
cultivo continuo por los autores de la patente Sin embargo, el comportamiento de esta cepa en
cultivo continuo en lo que respecta a requerimientos nutricionales así como condiciones de cultivo,
con el objeto de obtener alta productividad en biomasa a partir de lactosuero no ha sido descrito,
siendo objeto de estudio en la actualidad
Procedimiento:
El procedimiento consta de tres etapas diferenciadas:
1) Pretratamiento del lactosuero. Consistente esencialmente de una desproteinización previa,
seguida de la adición de una serie de nutrientes necesarios para la fermentación (principalmente una
fuente de nitrógeno, una fuente de Fosforo, elementos minerales y vitaminas)
Así, el aporte de factores de crecimiento y vitaminas, resuelto en otros sistemas a través de la
adición de extracto de levadura, de alto costo y causante de la formación de espumas, es sustituido
en esta invención por la utilización de un complejo vitamínico de composición y concentraciones
previamente optimizadas.
De esta manera se consigue un abaratamiento del proceso a la vez que se disminuye la formación de
espumas. El medio de fermentación es sometido normalmente a un proceso de pasteurización previo
a la fermentación.
2) Fermentación. En esta etapa el fermentador de trabajo es inoculado a partir de un cultivo previo.
El fermentador es aireado continuamente y controladas las variables pH, temperatura y aireación,
así como la formación de espumas, desarrollándose la totalidad de esta etapa en condiciones
estériles.
3) Separación/recogida del producto. La levadura rica en proteína es separada del efluente mediante
centrifugación en continuo .El efluente puede ser vertido con mínimos problemas de contaminación.
La crema de levadura es almacenada en tanque hasta ser molida, secada y recogida como producto
final.
5.5.2. Materiales y métodos
Aislado de la levadura. La muestra se tomó del residuo de la elaboración de jugo de caña de azúcar,
se sembró en cajas petri con agar Sabouraud a 30 °C y pH de 4.5 durante 5 días. La cepa de C. utilis
que creció en el agar, se enriqueció nuevamente en caldo Sabouraud a 30 °C y 200 rpm, durante 48
hrs.
Medio de mantenimiento y de propagación. Agar Sabouraud y caldo Sabouraud, para preservar y
propagar la levadura a una temperatura de 28° C y 200 rpm por 48 h.
Medio de cultivo mínimo formulado. Se utilizó un medio de cultivo mínimo de composición de-
finida, consistente en un medio básico: sulfato de amonio 5 g/L, fosfato diácido de potasio 1 g/L,
sulfato de magnesio heptahidratado 0.5 g/L, cloruro de calcio 0.1 g/L; factores de crecimiento:
biotina 2 μg/, ácido pantoténico 400 μg/L, ácido fólico 2 μg/L, inositol 2000 μg/L, niacina 400
μg/L, ácido para amino benzoico 200 μg/L, piridoxina 400 μg/L, riboflavina 200 μg/L y tiamina
400 μg/ y oligoelementos: ácido bórico 500 μg/L, yoduro de potasio 100 μg/L, molibdato de sodio
200 μg/L, sulfato de cobre 40 μg/L, cloruro férrico 200 μg/L, sulfato de manganeso 400 μg/L, sulfa-
to de zinc 400 μg/L, cloruro de sodio 0.1 g/L; al igual que etanol al 96 % para consumo humano,
como fuente de carbono.
6. CONCLUSIONES :
La producción de una fuente de energía limpia y la utilización de materiales de desecho
hacen de los biocombustibles una prometedora alternativa a las demandas energéticas
que aumentan cada día en el mundo
7. BIBLIOGRAFÍA :
Bolívar, Z. F. G. 2003. Recomendaciones Para el desarrollo y consolidación de
biotecnología en México. Editorial Academia Mexicana de Ciencias,Primera
edición. México p.p. 143
Eaton, A. 2008. Biodigestores. Editorial IRRI- México. p.p. 29
FUNDACIÓN PRODUCE CHIAPAS. A.C. 2006. Biodigestor. Manual
práctico para la producción de gas natural. México. p.p. 20
Biodigestor http://es.wikipedia.org/wiki/Biodigestor
http://es.wikipedia.org/wiki/Biog%c3%A1S
http://www.imagenagropecuaria.com/articulos.php?id_sec=22&id_art=350
Parker, C., Barnell, W. O., Snoep, J. L., Ingram, L. O. and Conway, T., Mol.
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