Obtención de butanol mediante Clostridium acetobutylicum a partir de desechos agroindustriales

Ingeniería de Biorreactores

“Obtención de butanol mediante Clostridium acetobutylicum a partir de desechos agroindustriales”

Introducción

El proceso de fermentación ha sido muy útil desde hace siglos para obtener productos, como para enriquecerlos, preservarlos, detoxificarlos y producir de disolventes orgánicos; por lo que existen numerosos microorganismos capaces de realizar estos procesos, por lo cual también se pueden obtener distintos productos (Hernández-Melchor et al., 2019); Herrera et al. (2019).

La fermentación ABE es un proceso que hace uso de la fermentación bacteriana para producir acetona, n-butano, etanol mediante una etapa de su metabolismo llamada solventogénesis, en la cual el microorganismo mayor empleado es C. acetobutylicum el cual degrada en su metabolismo oligosacáridos y polisacáridos principalmente de carbohidratos tales como el almidón, celulosa, xilosa y sacarosa. El carbono tras la hidrólisis pasa a estar en forma de glúcidos más simples, pentosas y hexosas. Estos azúcares son metabolizados mediante glucolisis y posteriormente por una descarboxilación oxidativa (Muñoz et al., 2018; Vázquez y Méndez, 2019).

Este proceso de fermentación, se encuentra relacionado con los procesos de fermentación llevados a cabo por levaduras en la producción de vinos, cerveza, o combustibles; en estos procesos las levaduras fermentan azúcares para producir etanol. Sin embargo, y a diferencia de lo que ocurre en las fermentaciones industriales clásicas; los organismos que llevan a cabo la fermentación ABE son anaerobios estrictos. La fermentación ABE produce solventes en una proporción de 3 partes de acetona, 6 partes de butanol y 1 parte de etanol. Por lo general se hace uso de una cepa bacteria perteneciente a la clase de las Clostridias, (familia Clostridiaceae). La especie más estudiada y más ampliamente utilizada es Clostridium acetobutylicum, aunque Clostridium beijerinckii también ha sido utilizado con muy buenos resultados (Qureshi y Blaschek, 2001).

Los clostridios son bacterias grampositivas, que como característica fisiológica importante se consideran bacilos anaeróbicos estrictos, parásitos y saprofitas muchos de ellos. Como peculiaridad presentan la característica de que esporulan. Tanto la esporulación como la solventogénesis son mecanismos de las células de Clostridium para resistir ambientes hostiles (Mancilla y Castaño, 2013).

El proceso fue desarrollado por el químico Chaim Weizmann, y fue el principal proceso utilizado durante la primera guerra mundial para producir acetona, compuesto destinado a la producción de cordita, una sustancia esencial para la industria de guerra británica (Wilkins y Ative, 2012).

Mencionando parte de la historia del descubrimiento de este proceso comenzamos con la primera producción de butanol por medios biológicos registrada la cual fue llevada a cabo por primera vez por Louis Pasteur en 1861, luego en 1905, el bioquímico austríaco Franz Schardinger descubrió que se podía producir acetona de una forma similar. Después, en el año de 1910, Auguste Fernbach desarrolló un proceso de fermentación bacteriano utilizando almidón a partir de papas como materia prima para la producción de butanol. La explotación industrial de la fermentación ABE comenzó en 1916, durante la Primera Guerra Mundial, con el aislamiento de la bacteria Clostridium acetobutylicum llevado a cabo por Chaim Weizmann, como se describe en la patente de Estados Unidos Nº 1315585 (Weizmann, 2019).

El proceso Weizmann fue el mecanismo de operación llevado a cabo por la Commercial Solvents Corporation, desde aproximadamente 1920 a 1964 con plantas en los Estados Unidos (Terre Haute, IN, y Peoria, IL), y en Liverpool, Inglaterra. La planta de Peoria, Illinois, EE. UU. fue la más grande de las tres; utilizaba melaza como materia prima y tenía tanques de fermentación de 96'' y 50,000 galones (Kelly, 1936).

De acuerdo a Nolling et al. (2001) la fermentación ABE mediante C. acetobutylicum comienza por el catabolismo de carbohidratos hasta piruvato (incompleto), luego por el ciclo TCA, entrando la ruta de solventogénesis, dando inicio a rutas biosintéticas, luego entra al ciclo de la urea, entra a una fase de reducción de nitratos y sulfatos, así como la fijación de nitrógeno.

Esa fermentación pasa por metabolitos primarios en los cuales se produce ácido acético y ácido butírico, en las primeras 24 horas, luego pasa con la producción de metabolitos secundarios en esta fase produce acetona, butanol y etanol, este a partir de las 48 horas hasta las 72 (Aguilar Duarte y Pinto Espitia, 2017; Bravo-García et al., 2017; Cascante y Lobo, 2019; Ponce-Rocha et al., 2017).

Índice

Introducción ii

CAPITULO I ANTECEDENTES 1

Planteamiento del problema 2

Objetivo general 3

Objetivos específicos 3

Hipótesis 3

HA (Alterna) 3

H0 (Nula) 3

Justificación del proyecto 3

Alcances y limitaciones 4

Alcances 4

Limitaciones 4

Metodología 4

Localización del experimento 4

Material microbiológico 4

Método de aislamiento e Identificación 4

Desarrollo de cultivo 5

Diseño experimental 5

Pretratamientos de materia prima 5

Variables a evaluar 6

CAPITULO II MARCO TEÓRICO 7

Clostridium acetobutylicum 8

Organismo de Weizmann 11

Taxonomía 12

Cepas comerciales 12

Distribución comercial 12

Distribución y origen 12

Reproducción natural 13

Metabolismo 13

Biorreactores e incubadoras 15

Medios de crecimiento 16

Condiciones de crecimiento 16

Energía Limpia 17

Energías Renovables 17

Variables de control 18

Referencias 19

Índice de Ilustraciones

Ilustración 1. El ciclo celular general de Clostridium acetobutylicum con sus diferentes formas celulares y productos principales durante la acidogénesis y solventogénesis. 9

Ilustración 2. Imagen de microscopía óptica de preesporas de Clostridium acetobutylicum ATCC 824. Las células se tiñeron en una solución de yodo. Las endosporas son visibles como una parte refractiva blanca de la célula, mientras que la granulosa de polisacárido almacenada muestra un color marrón rojizo típico. 10

Ilustración 3. Ruta metabólica de la fermentación ABE por Clostridium acetobutylicum (Lúcia García, 2018). 14

CAPITULO I ANTECEDENTES

Planteamiento del problema

Luego de la Segunda Guerra Mundial, la fermentación ABE se convirtió en un proceso generalmente no rentable, comparado con la producción de los mismos tres solventes (acetona, butanol, etanol) a partir del petróleo (Wilkins y Ative, 2012). Principalmente por motivo de la industrialización y la sobre explotación del petróleo.

Durante las décadas de 1950 y 1960, la fermentación ABE fue reemplazada por las plantas químicas de petróleo. Debido al diferente precio de la materia prima, ya que utilizaban este microorganismo como producción de biocombustibles de primera generación, es decir utilizaban como materia prima alimentos que pudieron ser usados por animales y personas, la fermentación ABE permaneció siendo viable en Sudáfrica hasta los primeros años de la década de 1980, donde la última planta cerró en 1983.

En los últimos años ha crecido el interés de este bioproceso por lo que en Inglaterra inicio con su primer bioindustria produciendo biobutanol con modelos de biorreactores que fueron utilizados por la Unión Soviética después de la primera guerra mundial y ha dado buenos resultados (Jaramillo Obando y Cardona, 2011).

A pesar de que México es uno de los países en el mundo que tiene gran producción de petróleo, dado que en los primeros meses del 2019 se produjeron 1.724 millones de barriles diarios según Solís (2020) que publico en FORVES, pero se especula que para el 2021 y los años subsiguientes se muestre una crisis económica mundial por el paro industrial y en algunos casos paro económico en naciones completas alrededor del mundo debido a la pandemia que comenzó en diciembre del 2019 en China dando lugar al SARS-CoV-2, y puede dar lugar a dos panoramas, uno en el que el precio del petróleo se elevara como nunca, u otra es que el precio será muy bajo; y cualquiera de las dos circunstancias afectaran a naciones completas.

Por lo que se debe optar más que antes por producir biocombustibles sustentables y económicos con el uso de residuos agrícolas y agroindustriales, para tener otras opciones de combustibles y de negocio energético, pues el futuro puede ser incierto pase en los esfuerzos de equilibrar o mantener la economía global.

Objetivo general

Obtención de butanol mediante Clostridium acetobutylicum a partir de desechos agroindustriales.

Objetivos específicos

1) Identificar una sepa de Clostridium resistente a la solventogénesis.

2) Aislar Clostridium acetobutylicum partir de aguas residuales.

3) Concientizar de fuentes alternas de combustibles.

4) Proponer fuentes sustentables de biocombustibles.

Hipótesis

HA (Alterna)

Producir biobutanol mediante Clostridium acetobutylicumes una manera de producir biocombustible de manera rentable y renovable.

H0 (Nula)

Producir biobutanol como un biocombustible renovable no es rentable y no crecerá interés en él en los próximos años.

Justificación del proyecto

La fermentación ABE ha experimentado un renovado interés considerando al butanol como un posible biocombustible renovable (GROSE, 2013). Con el objeto de hacer de la fermentación

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