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Existe, en la actualidad, un gran interés en desarrollar técnicas de conversión de materiales lignocelulósicos en etanol con el fin de reemplazar a los combustibles fósiles. Esta biomasa constituye una materia prima atractiva ya que se trata de recurso renovable disponible en grandes volúmenes y a muy bajo precio. La misma está compuesta, principalmente, por celulosa, hemicelulosa y lignina. Para liberar los azúcares fermentables de los dos primeros polímeros, se realiza un pretratamiento con ácidos a temperaturas moderadas. Esta etapa de hidrólisis ha demostrado ser uno de los procesos más eficientes y menos costosos para este fin. Sin embargo, los hidrolizados lignocelulósicos son fuertemente inhibidores para los microorganismos empleados en la fermentación posterior. Compuestos tóxicos, tales como furfural e hidroximetilfurfural, se generan en concentraciones relativamente altas durante este pretratamiento debido a una descomposición adicional de la glucosa y la xilosa. En la etapa de fermentación de ambos azúcares se emplean cepas recombinantes de Zymomonas mobilis. Esta bacteria ha demostrado su superioridad frente a otros organismos como las levaduras por sus altas velocidades de producción de etanol y consumo de sustratos. Uno de los modelos matemáticos más completos para la producción de etanol a partir de mezclas de glucosa y xilosa utilizando una cepa recombinante de Z. mobilis fue presentado por Leksawasdi y col. (2001). El mismo se basa en la limitación por sustrato y contiene los términos de inhibición por sustrato y por producto. Por otro lado, estudios previos demuestran que el furfural puede ser convertido por los organismos fermentativos a un compuesto menos inhibitorio aumentando la fase de latencia y disminuyendo la producción potencial de etanol. Este comportamiento conduce a cambios significativos en las concentraciones de células, sustratos y etanol con el tiempo. Los modelos cinéticos propuestos en la literatura, sin embargo, no han incluido la cinética de descomposición de compuestos xenobióticos como el furfural, ni su efecto de inhibitorio en la cinética celular. Por esta razón, el objetivo principal de este trabajo es proponer un modelo cinético de la fermentación de mezclas de glucosa y xilosa para la producción de bioetanol en presencia de furfural, y estimar los parámetros cinéticos mediante el uso de datos experimentales reportados en la literatura. Para cumplir con el objetivo mencionado se modificó el modelo noestructurado presentado por Leksawasdi y col. (2001) por medio de la introducción de un nuevo factor que tiene en cuenta el efecto inhibitorio del furfural en todas la ecuaciones cinéticas tanto de consumo de sustratos como de producción de bioetanol y biomasa. Además, se adoptó una cinética de primer orden con respecto a la concentración de furfural y de biomasa para describir la conversión del furfural por parte del microorganismo. Para formular el modelo original, los autores propusieron que el crecimiento microbiano sobre cada azúcar se representa por las velocidades especificas de crecimiento de Z. mobilis sobre glucosa y xilosa como si fueran la única fuente de carbono asumiendo una cinética de tipo Monod. Como el crecimiento ocurre sobre ambos azúcares, introdujeron un factor de peso para cada una, cuya suma es la unidad. Teniendo en cuenta estos factores se desarrollan las ecuaciones diferenciales que describen la evolución en el tiempo de la producción de células, el consumo de ambos sustratos y la producción de etanol sumando la contribución proveniente de cada azúcar. El modelo modificado consiste en 5 ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales que describen la evolución de las concentraciones de biomasa, glucosa, xilosa, etanol y furfural. La formulación propuesta posee 18 parámetros cinéticos, que comprenden: factores de peso, velocidades específicas de crecimiento, constantes de saturación y constantes de inhibición por sustrato, constantes de inhibición por producto y constantes de inhibición por la presencia de furfural. Para validar este modelo y estimar sus parámetros, se emplearon los datos experimentales presentados en el trabajo de Gutiérrez-Padilla y Karim (2005) en el que realizaron un estudio experimental sobre la toxicidad del furfural sobre la cepa Z. mobilis CP4 (pZB5) en la producción de bioetanol. Los autores efectuaron tres experiencias con distinta concentración de furfural en el medio de fermentación. Los datos experimentales para las concentraciones de biomasa, furfural, glucosa, xilosa y etanol fueron tomados a distintos intervalos de tiempo en un rango de 40 horas de fermentación para cada experiencia. La función objetivo del problema dinámico de estimación de parámetros consiste en minimizar el cuadrado de los errores entre el valor de la concentración predicho por el modelo y el dato experimental para la concentración de los estados del sistema. Para la discretización del modelo de ecuaciones diferenciales ordinarias se empleó la técnica de colocación ortogonal sobre elementos finitos (Tjoa y Biegler, 1991), resultando finalmente un problema de programación no lineal. El modelo de optimización utiliza los tres conjuntos de datos experimentales con diferentes condiciones iniciales de manera simultánea. Las cotas y los valores iniciales de los parámetros a estimar fueron tomados de la bibliografía. El problema fue implementado y resuelto en el ambiente de modelado GAMS empleando el código CONOPT. La figura muestra los perfiles de concentración de los estados del sistema (líneas continuas) comparándolos con los correspondientes valores experimentales (puntos) para de la experiencia donde la concentración inicial de furfural es de 0.475 g/L. Como se puede observar el modelo propuesto con los parámetros obtenidos ajustan los datos experimentales de manera satisfactoria.

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