Optimización de la relación Inoculo/Concentracion inicial de azucar para la produccion de bioetanol a partir de efluentes de la industria de bebidas gaseosas

VIADA, BN; ISLA, MA; COMELLI, RN.

Simposio; 3º Simposio Argentino de Procesos Biotecnológicos (SAProBio); 2014

Los combustibles de origen biológico, o "biocombustibles", son aquellos obtenidos a partir de biomasa. Estos pueden sustituir parcialmente el consumo de combustibles fósiles tradicionales (petróleo y carbón), constituyen una fuente de energía renovable y de bajo impacto ambiental. Existen dos biocombustibles de alto interés económico: el bioetanol, producido en nuestro país principalmente a partir de caña de azúcar, y el biodiesel, obtenido a partir de aceites vegetales. La obtención biológica del etanol (bioetanol) implica el empleo de microorganismos capaces de transformar una fuente carbonada (habitualmente hidratos de carbono) en etanol, como resultado de una serie de reacciones metabólicas necesarias para la obtención de energía por parte del agente biológico involucrado. Las levaduras, eucariotas unicelulares pertenecientes al reino Fungi, son capaces de metabolizar fuentes carbonadas sencillas en ausencia de oxígeno, generando etanol como producto final. Este proceso se denomina fermentación alcohólica. Estudios previos realizados por el grupo de trabajo demostraron que es técnicamente factible producir bioetanol a partir de efluentes de la industria de bebidas gaseosas, en particular empleando aquellos generados por el "descarte" (gaseosas fuera de especificación durante el proceso de elaboración, devolución desde góndola por falta de gas o vencimiento, entre otros). Los azúcares en estos efluentes se encuentran en una concentración entre el 10 y 12 % p/v y son los principales responsables de la alta Demanda Química de Oxígeno (DQO) de los mismos, que puede llegar a valores de 140000 mgO2/L, constituyendo un gran problema desde el punto de vista económico y ambiental, relacionado a los costos de almacenamiento y las operaciones de tratamiento a que deben ser sometidos. En los ensayos de fermentación a escala laboratorio, los azúcares fueron completamente consumidos en tiempos inferiores a las 14 hs y se obtuvieron rendimientos en etanol de 0,50 getanol/gazúcar consumido, idénticos a los reportados en la literatura especializada. El objetivo principal del presente trabajo fue identificar la relación entre inóculo de levaduras y concentración inicial de azúcar que maximice los rendimientos en etanol, en un intento de optimizar el proceso de fermentación y disminuir los volúmenes de trabajo. Los ensayos de fermentación para la producción de etanol se realizaron en reactores de 50 mL y de 500 mL (construidos ad-hoc), con sistemas de trampa de gases y toma muestra para mantener esterilidad y anaerobiosis. Se utilizó la cepa de levadura comercial Saccharomyces cerevisiae var. Windsor (Lallemand Brewing Co.) y las fermentaciones se llevaron a cabo en condiciones controladas de temperatura y en atmósfera microbiológicamente estéril. Se realizó un seguimiento en el tiempo de las concentraciones de etanol, glicerol, azúcar y biomasa. Se determinó la Demanda Química de Oxígeno (DQO) al inicio y al final (luego de remover la biomasa y el etanol) de los experimentos. El inóculo se preparó a partir de diferentes medios de cultivo, con agitación constante durante 12 horas a 30 ± 2 ºC. Se utilizaron diseños experimentales de cribado y Metodología de superficies de respuesta para obtener modelos estadísticos de los resultados. Se realizó el modelado matematico y propuesta de expresiones cinéticas para cada proceso. Se compararon los datos experimentales con el modelo y se obtuvieron parámetros cinéticos dentro de las configuraciones y condiciones operativas estudiadas y de interés industrial. Para ello, se utilizaron software específicos disponibles en el laboratorio (Stratgraphics Centurion 15.2.06, MatLab 7.9.0 R2009b, Hysis y SuperProDesigner).El aumento de los azucares  en el medio producto de la disminución de los volúmenes de trabajo repercute en el metabolismo de las levaduras, lo cual se ve reflejado en distintos parámetros de la fermentación entre los cuales se puede mencionar: tiempo de aclimatación o fase "lag", rendimiento en etanol (Ye, getanol/gazúcar consumido), velocidad especifica de crecimiento de biomasa (rb), velocidad especifica de producción de etanol (re), entre otros. Como posible solución a este inconveniente se planteó el empleo de un inoculo de mayor concentración al utilizado anteriormente con el objeto de minimizar la acción negativa del medio sobre el desempeño de las levaduras, observándose una mejoría en los parámetros anteriormente citados. Esto motivo la aplicación de la metodología de superficie de respuesta para optimizar la relación entre el inoculo empleado en la fermentación y las concentraciones de azucares iniciales en el medio, y de esta manera maximizar la producción de etanol. El punto óptimo determinado por el software empleado correspondió a un inóculo de 4.60 g/L y una concentración inicial de azúcares de 182 g/L, lo que corresponde a una relación 1/40 ginóculo/gazúcar inicial. En estas condiciones, el programa predice un Ye comprendido entre 0.466 y 0.490 getanol/gazúcar consumido. Los experimentos realizados con las condiciones iniciales predichas por el software fueron exitosos, obteniéndose un Ye promedio de 0.48 getanol/gazúcar consumido, lo que confirma la validez del modelo obtenido. Por último se realizó un modelado matemático para lograr obtener una expresión que permita predecir el comportamiento de las levaduras a lo largo de la fermentación. Se empleó un modelo simplificado de tipo "no-estructurado no-segregado".  Se obtuvieron las siguientes conclusiones ·         El desempeño de las levaduras se ve afectado por los niveles iniciales de azúcar en el medio de fermentación; existe una relación directa entre los estos y la duración de la fase ?lag? o tiempo de aclimatación. ·         Existe una marcada influencia de la relación inóculo/concentración inicial de azúcar en la producción de etanol. ·         Aplicando la metodología de superficie de respuestas, se determinó que empleando 4.60 g/L de inoculo en un medio con una concentración inicial de azúcares de 182 g/L se obtienen los máximos rendimientos en etanol con un consumo total de los azúcares. En estas condiciones se obtuvieron 0,48 getanol/gazúcar consumido. ·         Se logró reducir el volumen de fermentación en 1.8 veces. ·         Se obtuvieron expresiones matemáticos que describen de forma bastante aproximada las evolución de biomasa, azucares y etanol a lo largo de la fermentación. ·         El proceso propuesto permite obtener productos con valor de mercado: etanol (grado farmacopea luego de rectificar o como biocombustible si es deshidratado), CO2 (materia prima de las industrias de bebidas carbonatadas) y biomasa de levaduras (alimento balanceado para ganado o aves de corral, entre otros usos potenciales).