producción de phb a partir de residuos de la industria del biodiesel

GRADO EN BIOTECNOLOGÍA|FACULTAD DE CIENCIAS EXPERIMENTALES

Producción de Polihidroxibutirato a partir de residuos de la

industria del biodiesel

Autor: Javier Viña González

Tutor: Dra. Mª de la Menta Ballesteros Martín

Junio 2013

Javier Viña González

Producción de Polihidroxibutirato a partir de residuos de la industria del biodiesel

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Agradecimientos

A Salvador Granados García, por contagiarme su pasión,

a Belén Caputto Martos, porque no es lo mismo ser que estar,

a la Dra. Mª de la Menta Ballesteros Martín,

por su tiempo, dedicación y confianza,

a mis compañeros, por amenizar esta etapa,

en especial a Juan Miguel Illán Calado,

sin cuya ayuda nunca podría haber cursado Biotecnología,

a todo el equipo humano de la Universidad Pablo de Olavide,

a mis amigos, por estar,

a mi familia, por creer,

a mi abuelo, por quedarse.

Dedicado a la memoria de José Viña Robles


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Resumen

El polihidroxibutirato (PHB) es un plástico producido por factores bióticos. Este compuesto

representa una de las alternativas más viables frente a los plásticos convencionales. La

producción de PHB ha crecido durante la última década, reduciendo cada vez más su coste

gracias a la introducción de mejoras en el proceso de producción. Se estudiaron posibles

mejoras del proceso tales como el abaratamiento de la materia prima y mejoras en el

procedimiento de extracción. Además, se llevó a cabo una simulación del proceso, así como

un estudio de ubicación y diseño de planta. De la simulación se obtuvo una capacidad de

producción del 0,33% de la producción mundial de PHB. Por último se realizó un análisis de

viabilidad económica que resultó en aproximadamente 7,2 M€ de rentabilidad neta, lo cual

constata que la producción de PHB es un proceso rentable.

Palabras Clave: polihidroxibutirato, PHB, biodiesel, glicerina, Brasil.

Abstract

Polyhydroxybutyrate (PHB) is a plastic produced by organisms. This compound represents

one of the most viable alternatives to traditional plastics. PHB production has increased

during the last decade, reducing its cost through improvements in the production process.

Production process advancements such as the use of cheaper raw material and enhancements

in the extraction procedure have been studied. Furthermore, a simulation of the process and a

study of the location and plant design have been performed. A 0,33% capacity of PHB world

production was achieved by the simulation. Finally, an economic viability analysis resulted in

7,2M€ net profit which confirms the profitability of PHB production.

Keywords: polyhydroxybutyrate, PHB, biodiesel, glycerol, Brazil.


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Tabla de contenido 1.Introducción ............................................................................................................................... 5

1.1 Polihidroxialcanoatos (PHA) ................................................................................................ 5

1.2 Aplicaciones ......................................................................................................................... 7

1.3 Síntesis de PHB .................................................................................................................... 7

2.Producción de PHB ..................................................................................................................... 9

2.1 Cepas bacterianas ............................................................................................................... 9

2.2 Materia prima.................................................................................................................... 10

2.3 Fermentación .................................................................................................................... 11

2.4 Extracción y purificación ................................................................................................... 11

2.5 Posibles mejoras del proceso ............................................................................................ 13

3.Diseño del proceso de producción de PHB .............................................................................. 14

3.1 Planteamiento y justificación del proceso ........................................................................ 14

3.2 Ubicación de planta ........................................................................................................... 16

3.5.1 Zonas de consumo o Mercados.................................................................................. 18

3.5.2. Disponibilidad de materias primas ............................................................................ 19

3.5.3. Suministro de energía y de combustibles ................................................................. 20

3.5.4. Suministro de agua .................................................................................................... 20

3.5.5. Disponibilidad zonal de mano de obra ...................................................................... 20

3.5.6. Condiciones geográficas y meteorológicas ............................................................... 20

3.5.7. Infraestructura existente y necesidades de completarla .......................................... 21

3.3 Simulación y especificaciones técnicas ............................................................................. 22

3.4 Intrumentación y control .................................................................................................. 24

3.3.1 Sistemas de control del pretratamiento .................................................................... 24

3.3.2 Sistemas de control del acondicionamiento y fermentación ..................................... 25

3.3.3 Sistemas de control de la extracción-purificación ..................................................... 26

3.5 Distribución de planta ....................................................................................................... 26

3.6 Análisis del potencial económico ...................................................................................... 29

4.Conclusiones ............................................................................................................................ 32

Referencias .................................................................................................................................. 34

Anexo I ......................................................................................................................................... 37

Anexo II ........................................................................................................................................ 38


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1.Introducción

Los bioplásticos son una familia de materiales producidos principalmente por

microorganismos. Esta base biológica de los bioplásticos implica que estos sean mayormente

biodegradables. El concepto ”biodegradable“ se aplica a aquellos compuestos que son

asimilables por el medio ambiente a través de su metabolización, llevada a cabo por

determinados organismos. Estos materiales presentan ventajas frente a otros utilizados

convencionalmente y se presentan como una alternativa viable ante estos.

1.1 Polihidroxialcanoatos (PHA)

Los PHA son bioplásticos constituidos por poliésteres lineales formados por

monómeros de hidroxiácidos, es decir, un ácido carboxílico con un grupo hidroxilo y un

hidrocarburo como sustituyente, de manera que el grupo hidroxilo y el carboxilo quedan

unidos por un enlace éster (Fig.1). La estructura general de los PHA se muestra en la Figura

1, donde n representa el número de monómeros (comprendido entre 100 y 30.000) y m indica

el número de átomos de carbono de cada monómero. Entre 3-5 son considerados PHA de

cadena corta (scl-PHA), de 6-14 de cadena media (mcl-PHA) y, por encima de 14, PHA de

cadena larga (lcl-PHA) (Verlinden y cols., 2007; Kunasundari y Sudesh, 2011).

Estos bioplásicos son completamente biodegradables en cortos periodos de tiempo,

generando en su degradación CO2 y H2O. Tienen unas propiedades similares a los plásticos

sintéticos, ya que, al tratarse de materiales termoplásticos pueden ser procesados de igual

forma que polipropileno (PP) y polietileno (PET), dos de los plásticos convencionales de

mayor producción mundial. Además, los PHA son insolubles en agua y no son tóxicos.

Uno de los PHA que presenta mejores carácterísticas como bioplástico es el

polihidroxibutirato (PHB). El PHB es un homopolímero de cadena corta con alta cristalinidad,

rígido y frágil, pero al hilarse en fibras se comporta como un material duro y elástico. Tiene

Figura 1. Monómero de PHA


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una temperatura de degradación térmica de aproximadamente 246 ºC, que aumenta

ligeramente por la presencia de polihidroxivalerato (PHV) en forma de ramificaciones.

(Verlinden y cols., 2007).

Una de las ventajas principales que presentan los PHA es que son respetuosos con el

medio ambiente, no obstante, en la actualidad los productos más explotados son los plásticos

sintéticos derivados de combustibles fósiles, como son el PP y el PET, que no son capaces de

descomponerse de forma natural. La clasificación general de los plásticos se muestra en la

Figura 2. Los bioplásticos aún no son una alternativa económicamente viable frente a los

derivados del petróleo, sin embargo, estos últimos proceden de un recurso limitado. Estos

polímeros sintéticos conllevan además altas emisiones de CO2 a la atmósfera y un alto

consumo energético durante su producción. Los bioplásticos pueden reducir las emisiones de

CO2 respecto a los plásticos tradicionales y reducen la dependencia de los combustibles

fósiles, siendo productos naturales, renovables y biocompatibles (Adkins y cols., 2012).

Figura 2. Clasificación general de los plásticos en la actualidad (Zini y Scandola, 2011).


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1.2 Aplicaciones

Entre las aplicaciones de los bioplásticos destacan los sectores del envasado, la

agricultura (encapsulación de semillas, encapsulación de fertilizantes para una lenta

liberación, contenedores biodegradables para invernaderos), soportes para elementos

electrónicos e informática, telefonía móvil y automoción. Los PHA son usados también para

moldeos por inyección y/o extrusión así como en papel plástico, con los que se fabrican una

gran variedad de productos, tales como cubiertos, bolsas, cajas, objetos de aseo personal,

juguetería, filtros de cigarrillos, etc. Sin embargo, el menor precio de los plásticos

convencionales actualmente dirige a los bioplásticos hacia otras aplicaciones, en las que

presentan ventajas significativas frente a los plásticos tradicionales como el sector médico.

Las propiedades de los bioplásticos (inexistente toxicidad, biocompatibilidad y nula

inmunogenicidad) los convierten en los candidatos perfectos para su utilización en ingeniería

de tejidos, transportadores de medicamentos e implantes, entre otras aplicaciones (Verlinden

y cols., 2007; Chee y cols., 2010).

1.3 Síntesis de PHB

El proceso de síntesis de PHB, en el que se centrará este trabajo, partiendo de acetil-

CoA, puede resumirse en las siguientes etapas (Fig. 3):

i) Dos moléculas de acetil-CoA que provienen del ciclo de los ácidos tricarboxílicos

(TCA) se condensan para formar una molécula de acetoacetil-CoA, liberando una

molécula de coenzima A. Esta reacción está catalizada por el enzima β-cetotiolasa

(PhaA).

ii) El enzima acetoacetil-CoA reductasa (PhaB) reduce el acetoacetil-CoA a (R)-3-

hidroxibutiril-CoA gracias a la oxidación de NAD(P)H a NAD(P)+.

iii) En la tercera y última etapa del proceso el enzima PHA sintasa (PhaC) polimeriza

los monómeros de (R)- 3-hidroxibutiril-CoA a polihidroxibutirato o PHB, con la

liberación de la segunda molécula de coenzima A del proceso (Verlinden y cols.,

2007).

La bacteria producirá distintos PHAs en función de la longitud de la cadena

hidrocarbonada entre el grupo carboxilo y a la cadena lateral –R, así como de la longitud de la

propia cadena lateral. De esta forma, en función de la fuente de carbono con la que crezca el


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organismo, el enzima PhaC utiliza como sustratos distintos β-hidroxiaciles-CoA para formar

el poliéster, debido a la poca especificidad de estos enzimas (Verlinden y cols., 2007).

Cuando el organismo está creciendo en condiciones normales y hay suficiente

coenzima A libre, se favorece la formación de acetil-CoA y su entrada en el ciclo TCA para

producir energía. Sin embargo, cuando la entrada del acetil-CoA en el ciclo TCA está

inhibida, por una limitación de nutrientes (nitrógeno mayormente), su exceso se utiliza para la

síntesis de los PHA. De esta forma, cuando el nutriente antes limitante deja de serlo y/o la

fuente de carbono disminuye en el medio, la célula utiliza como reserva los PHA contenidos

en gránulos citoplasmáticos mediante la activación de la PHA-despolimerasa intracelular

(PhaZ). Gracias a este enzima el proceso puede ser reversible, generando acetil-CoA que entra

en el ciclo de TCA para producir energía (Naranjo Vasco, 2010)

La superficie de los gránulos de PHA está recubierta por una capa de fosfolípidos y

proteínas denominadas fasinas, que juegan un papel importante en el número y tamaño de las

Figura 3. Ruta general de síntesis de polihidroxibutirato (PHB) a partir acetil-CoA

(Tanadchangsaeng y Yu, 2012)


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inclusiones. Se piensa que intervienen en la estabilidad de los gránulos citoplasmáticos

(Pötter y cols., 2002).

2.Producción de PHB

La producción de PHB in vivo a gran escala se puede realizar en vegetales o en

bacterias, aunque también se puede llevar a cabo in vitro mediante enzimas libres. El uso de

plantas modificadas genéticamente permite producir PHB utilizando como sustratos dióxido

de carbono y agua mediante fotosíntesis, pero presenta un rendimiento muy pobre, no superior

al 10% en peso seco, y si se intenta aumentar este porcentaje el desarrollo y crecimiento de la

planta pueden verse afectados (Verlinden y cols., 2007).

La alternativa más adecuada es la fermentación de sustratos a través de

microorganismos y, más concretamente, bacterias. Algunas bacterias como Ralstonia

eutropha y Azotobacter vinelandii son capaces de acumular hasta el 90 y 70% de su peso seco

en PHB respectivamente en forma de inclusiones citoplasmáticas en condiciones de

abundancia de fuente de carbono y limitación de nitrógeno, fósforo u oxígeno. Para las células

es un sistema con el que almacenar el exceso de nutrientes sin afectar a su estado osmótico,

por lo que a priori se dificulta la liberación espontánea de estos polímeros al exterior celular.

Los microorganismos utilizados pueden ser nativos, es decir, capaces de producir PHB de

manera natural, o seleccionados mediante ingeniería genética, con mayor rendimiento y rutas

metabólicas modificadas para acelerar la producción (Steinbüchel y Lütke-Eversloh, 2003;

Mejía y cols., 2009; Naranjo Vasco, 2010).

2.1 Cepas bacterianas

Aunque existen más de 250 microorganismos productores naturales de PHB

diferentes, sólo algunos de ellos se han utilizado comercialmente (Tabla 1). Las principales

limitaciones de las bacterias respecto a la producción natural de PHB a escala industrial son la

complicada lisis para la extracción final del polímero, una baja densidad celular y un excesivo

tiempo en alcanzar la máxima densidad. Además, para abaratar los costes de producción surge

la necesidad de utilizar como sustratos o materia prima simple y/o barata, o reutilizar los

residuos de otras industrias.


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Tabla1. Principales bacterias productoras de PHB y porcentaje del peso seco total en PHB (Carlson y

cols., 2005; Mejía y cols., 2009; Naranjo Vasco, 2010; Chee y cols., 2010; Posada y cols., 2010).

Organismo % PHB peso seco

Ralstonia eutropha 90

Azotobacter vinelandii 70

Burkholderiacepacia 70

Methylobacteriumrhodesianum 50

E. coli 50

Por otra parte, se plantea el uso de cianobacterias para producir PHB utilizando como

sustrato el dióxido de carbono, Methylocystis a partir de metano, y Ralstonia eutropha con

una mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono (Verlinden y cols., 2007).

2.2 Materia prima

Ya que la materia prima en la producción de PHA puede alcanzar un 50% del coste

total, el objetivo es utilizar sustratos baratos que minimicen en la medida de lo posible los

gastos de producción. Para poder competir con los plásticos derivados del petróleo, cuyo

precio es actualmente inferior a 2€/kg, se busca encontrar una fuente de carbono barata,

fácilmente disponible y metabolizable por los microorganismos para la síntesis de PHB. Ante

este problema, la solución más eficaz es reutilizar los residuos de otro tipo de industrias

(Domingo, 2011; Tanadchangsaeng y Yu, 2012).

La glicerina es un subproducto del proceso de refinado de aceites vegetales en la

producción de biodiesel. Las grandes cantidades anuales que se generan de glicerina a partir

de la industria del biodiesel han conducido a una fuerte caída del costo de esta y a la

necesidad de darle salida en el mercado, lo que supone un aliciente para su utilización en la

producción de PHB. Algunos autores han estudiado su utilización y las principales reacciones

que se producen durante el proceso (Fig. 4).


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Figura 4. Reacciones de conversión de glicerina a acetil-CoA (Naranjo Vasco, 2010).

2.3 Fermentación

El proceso industrial de la fermentación a gran escala puede ser de tipo batch, fed-

batch, o continuo. La producción por lotes es un sistema discontinuo en el que se favorece la

fermentación al inicio del proceso mediante el exceso de carbono y limitación de algún

nutriente. Generalmente se emplean dos reactores en serie. En el primero de ellos crecen las

bacterias en un medio sin limitación de nutrientes y cuando alcanzan una densidad celular

determinada se transfieren al segundo biorreactor, esta vez sí, con limitación de nutrientes y

exceso de fuente de carbono (Naranjo Vasco, 2010).

2.4 Extracción y purificación

La etapa posterior a la producción del compuesto de interés es la extracción y

purificación del producto, sin duda uno de los procesos industriales de mayor trascendencia,

puesto que de su éxito depende en gran parte los beneficios por venta del producto final. De

manera general el procedimiento a seguir es romper la membrana celular de los

microorganismos para liberar al medio los gránulos de inclusión con PHB en su interior y

disolverlo en otras sustancias para separarlo de la biomasa residual (Naranjo Vasco, 2010).


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El proceso de separación más común del polímero consta de cuatro etapas:

Centrifugación para eliminar las impurezas más abundantes, mayoritariamente el medio de

cultivo.

Pretratamiento para debilitar la membrana celular y llevar a cabo la disrupción de una

forma más sencilla. Éste puede ser por calor, álcalis, sales o congelamiento.

Extracción. La mayoría de los métodos de extracción de PHB utilizan disolventes

orgánicos como la acetona, que encarecen el proceso. Otras técnicas incluyen el empleo de

procedimientos enzimáticos. Finalmente, un método que supone un ahorro temporal y

económico, desarrollado en los últimos años, es el empleo de bacterias E.coli que liberan

espontáneamente hasta el 80% del PHB intracelular (Fig. 5) (Jung y cols., 2005).

Purificación. En algunos casos en los que quedan restos de agua, ésta se puede eliminar

mediante un secado (Naranjo Vasco, 2010).

Figura 5. Imágenes al microscopio electrónico de barrido (A) y de transmisión (B) de E.coli conteniendo

gránulos de PHB. Las flechas indican roturas de la membrana y lisado espontáneo de los gránulos (Jung y

Cols., 2005).


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2.5 Posibles mejoras del proceso

Ya que el PHB tiene un precio más elevado que los plásticos convencionales, es

necesario desarrollar alternativas viables desde el punto de vista económico y tecnológico

para estimular la industria de los bioplásticos y reducir progresivamente la dependencia de los

combustibles fósiles. Los altos costos de producción del PHB se deben fundamentalmente a la

materia prima, que puede alcanzar hasta el 50% del costo total, y a la purificación del

producto. Para optimizar el proceso global, los aspectos del sistema de producción que se

pretenden mejorar son los siguientes:

Utilizar sustratos baratos para reducir los costes de producción. Es posible acoplar la

producción de PHB a una biorefinería, de forma que la materia prima del proceso sea el

subproducto o el residuo de otro (Posada y cols., 2011).

Pretratamiento de la materia prima para obtener la máxima pureza posible.

Mejora genética de microorganismos productores de PHB para aumentar la eficiencia del

proceso fermentativo, el rendimiento de la conversión de los sustratos en PHB y

disminución de los tiempos de operación. Esto se puede conseguir espontáneamente

aislando microorganismos capaces de crecer en el sustrato que va a servir de materia

prima, de forma dirigida mediante ingeniería metabólica y genética, mejorando cepas ya

existentes productoras de PHB o generando nuevas especies (Naranjo Vasco, 2010).

Reducir el coste de la extracción/purificación del producto empleando técnicas sencillas.

Inducción de la liberación externa espontánea del PHB para minimizar los costes de

separación/purificación del producto mediante mejora genética (Jung y cols., 2005).

Disminuir los requerimientos de temperatura y aireación de operación, costes inherentes a

la etapa de fermentación. Reducir la aireación, un proceso muy costoso, empleando

organismos anaerobios o microanaerobios (Naranjo Vasco, 2010;de Almeida y cols.,

2010).

Recircularizar los subproductos obtenidos al final del proceso que puedan ser reutilizados

(Naranjo Vasco, 2010).

Emplear dos fermentadores en serie aumenta la eficiencia del proceso en un 170% con

respecto a la producción en una sola etapa (Naranjo Vasco, 2010).

Inhibir la acción del enzima PhaZ mediante ingeniería metabólica o emplear mutantes

knockout para el gen codificante de este.

Estudios de estabilidad genética y viabilidad celular.


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3.Diseño del proceso de producción de PHB

3.1 Planteamiento y justificación del proceso

El objetivo de este trabajo es plantear formas de optimizar el proceso de producción de

PHB. Se pretende aumentar el rendimiento del proceso, reduciendo los costes y aumentando

su viabilidad económica. Para ello, las mejoras planteadas irán sobre todo dirigidas a reducir

el coste de la materia prima, mejorar el rendimiento de la fermentación y reducir los costes de

extracción-purificación.

El proceso consta de tres etapas bien diferenciadas:

Pretratamiento de la materia prima.

Acondicionamiento y fermentación.

Extracción-purificación del PHB.

Con objeto de reducir los costes derivados de la adquisición de materia prima, se

propone la utilización de glicerina procedente de residuos de la industria del biodiesel. Esta

materia prima, en adelante llamada glicerina cruda, tendrá una composición de: glicerina

(60,05%), metanol (32,59%), NaOCH3 (2,62%), ácidos grasos (1,94%) y cenizas (2,8%),

todos los porcentajes en p/p (Posada y cols., 2010).

Una mayor riqueza en glicerina del medio aumenta el rendimiento de la fermentación

del microorganismo, por lo que la glicerina cruda se somete a un pretratamiento hasta obtener

una glicerina al 98% p/p (Posada y cols., 2010). En este proceso de pretratamiento se

obtendrá metanol como producto secundario, que se comercializará para aumentar la

rentabilidad del proceso. Según describe Cavalheiro y cols., 2009, utilizando un medio

compuesto por glicerina al 93% se obtiene un rendimiento de 0,34g PHB/g glicerina. Se

supondrá este rendimiento del 34% como el rendimiento mínimo de la fermentación de la

glicerina al 98% p/p.

Con el fin de disminuir los costes de extracción se propone emplear la cepa de E.coli

recombinante desarrollada por Jung y cols., 2005, la cual es capaz de liberar el 80% del PHB

intracelular de manera espontánea. Se supondrá que el rendimiento de la extracción es del


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80%. Para generar la cepa recombinante de E. coli MG1655/pTZ18U-PHB, descrita por Jung

y cols., 2005, es necesario adquirir la cepa MG1655 de E. coli a partir de una colección de

cultivos como es la ATCC (del inglés, American Type Cell Culture), tras esto se construye un

plásmido pTZ18U-PHB, que porta los genes phbCAB de Alcaligenes eutrophus y se

transforma la cepa MG1655 con dicho plásmido, seleccionando posteriormente los

transformantes. Por último debe realizarse un stock de esta cepa.

Un paso fundamental a la hora de llevar a cabo la fermentación es adapar la cepa de E.

coli a consumir como fuente de carbono principal la glicerina al 98% de pureza para alcanzar

la conversión máxima a PHB (Fig. 6) (Jung y cols., 2005). De esta forma, el procedimiento

consiste en sustituir de manera progresiva estos sustratos convencionales por la glicerina

durante el escalado, evaluando la tolerancia (Jung y cols., 2005; Naranjo Vasco, 2010).

Figura 6. Rutas anaeróbicas de síntesis de PHB más eficientes utilizando E. coli recombinante (Carlson y

cols., 2005).

Para llevar a cabo el proceso de escalado en primer lugar debe tomarse la cepa

MG1655/pTZ18U-PHB construida y reactivarse, siempre en el medio recomendado por la

ATCC. El primer cultivo se realiza en un matraz de 100 mL utilizando tan solo 18 mL del

medio de cultivo recomendado para evitar la limitación del crecimiento por déficit de O2 . El

inóculo será de 2 mL. Este cultivo servirá de inóculo para otro cultivo de 180 mL de medio de

cultivo en matraz de 1 L. Este último se utiliza como inóculo para un cultivo de 4,5 L de

medio en un tanque de 6 L. A partir de este momento la aireación es controlada por lo que no

es necesario mantener parte del tanque vacío, no obstante, se utiliza un tanque con 1 L más de

lo necesario para evitar posibles rebosamientos. Durante el proceso de escalado el medio debe

ir sustituyéndose progresivamente desde el recomendado hasta glicerina al 98% (Naranjo

Vasco, 2010).


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Los siguientes escalados tienen las mismas condiciones y proporciones que el anterior.

Al tanque de 6 L le sigue uno de 55 L (50 de medio más inóculo), y a éste un tanque de 600 L.

Éste último es el que sirve de inóculo para un primer fermentador en el que se lleva a cabo

una primera fermentación cuyo objetivo será aumentar la densidad celular. La biomasa

generada en este fermentador se transporta hasta otro de mayor dimensión, en el que se

impondrán las condiciones restrictivas (ambiente anaerobio) que inducirán la acumulación de

PHB intracelular, el cual será liberado espontáneamente gracias a las características de la cepa

construida (Jung y cols., 2005; Naranjo Vasco 2010).

Una vez que la E.coli transformante ha sintetizado y liberado por autolisis el PHB, este

debe ser purificado. Para ello Jung y cols., 2005, propone que, debido a la liberación

espontánea del PHB por parte de la cepa MG1655/pTZ18U-PHB el proceso de purificación

puede ser sencillo, bastando con una simple centrifugación. En la patente desarrollada por

Chen, 2005, se expone un protocolo de purificación consistente básicamente en una

centrifugación, con un rendimiento del 87%. Se estima que este rendimiento se aproximará al

esperado para la extracción que se pretende llevar a cabo.

Puesto que el rendimiento de la fermentación se estima en el 34% (Cavalheiro y cols.,

2009), el de extracción en el 80% (Jung y cols., 2005) y el de purificación en el 87% (Chen,

2005), el rendimiento del proceso global es de:

YPHB = 0,34 ∗ 0,8 ∗ 0,87 = 0,237 𝑔 𝑃𝐻𝐵/𝑔 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎

Para llevar a cabo el proceso se empleará una producción por lotes en modo

discontinuo, ya que, al tratarse de un proceso biotecnológico, las reacciones principales del

proceso son lentas y por tanto los tiempos de residencia son altos. Además, se disponen de

escasas especificaciones técnicas del proceso. Por todo ello la elección de un sistema continuo

no es recomendable.

3.2 Ubicación de planta

Para la elección de la ubicación de la industria se tuvieron en consideración una serie

de factores determinantes para que el proceso sea exitoso. El proceso planteado empleará la

glicerina obtenida como subproducto de plantas productoras de biodiesel como materia prima

para la fabricación de PHB, por lo que el primer paso a la hora de elegir la ubicación de la


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planta de producción de PHB es seleccionar un país en el que la disponibilidad de la materia

prima sea óptima.

Actualmente Europa es la mayor productora de biodiesel mundial, aunque son Brasil y

Argentina los países con una mayor tasa de crecimiento en los últimos años (Tabla 2).

Por otra parte, el gobierno de Brasil impone una normativa que obliga a que todo el

diesel comercializado contenga un 5% de biodiesel, con lo que la producción de este

compuesto se incrementará aún más en los próximos años (Albarelli y cols., 2011).

Tabla 2. Producción de biodiesel en miles de barriles por año mundial, en América Central y Sudamérica

y en Europa, así como los principales países productores de estas regiones (Eia.gov, 2009).

Miles de barriles al día 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Mundial 71.246 124.626 178.830 262.096 309.072 337.760 403.739

Europa 62.060 96.520 122.390 150.690 173.870 183.142 177.690

Alemania 33 52 57 55 45 49 52

Francia 8.400 11.600 18.700 34.400 41 37 34

América Central y

Sudamérica

0.544 2.249 11.248 35.828 56.942 85.154 103.249

Brasil 0.013 1.189 6.968 20.057 27.711 41.123 46.058

Argentina 0.200 0.600 3.600 13.900 23.100 36 47.340

Por ello, Brasil se presenta como una potencia emergente con un futuro muy

prometedor como productor de biodiesel. Por tanto, Brasil (Fig. 7) es un país idóneo donde

ubicacar de una planta con las características deseadas.

Para determinar la región más adecuada para ubicar la planta, se empleará el Método

de cribado, mediante el que se construirán una serie de mapas esquemáticos en los que se

sombreará las regiones que no cumplen los requisitos o factores que se expondrán a

continuación.


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Figura 7. Mapa de Brasil donde se muestran cada uno de los estados que lo conforman distribuidos

según su situación geográfica.

3.5.1 Zonas de consumo o Mercados

Las principales aplicaciones de los bioplásticos en Brasil se centran en embalajes de

comida y bolsas de plástico, y en el sector de la agricultura para el acomodamiento de las

semillas durante su siembra (Fig. 8) (Koller y cols., 2010).

Sin embargo, el sector demandante de bioplásticos que mayor crecimiento en los

últimos años en Brasil es el farmacéutico. Este sector se divide muy desigualmente entre los

distintos estados brasileños, de manera que Sao Paulo y Río de Janeiro comprenden el 56% de

la demanda total de medicamentos mientras que los estados del norte no llegan al 5%.

Además de esto, los estados de Goias, Pernambuco y Ceara son los principales productores de

medicamentos del país. Por tanto se asume que estos cinco estados serán los principales

demandantes de bioplásticos (Fig. 9A) (OSEC Business Network Switzerland, 2010).


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Fig 8. Principales aplicaciones para bioplásticos en Brasil en el año 2009 (Frost & Sullivan,

2010).

3.5.2. Disponibilidad de materias primas

La disponibilidad de materia prima para el proceso, es decir, glicerina, viene

condicionada por la presencia de otras fábricas productoras de biodiesel que generen glicerina

como subproducto. La empresa Petrobras es responsable del monopolio del petróleo de Brasil,

así como de la producción de biodiesel, de manera que existen cinco estados responsables de

la mayor parte de la producción del biodiesel del país (Tabla 3).

Conforme a esto, se construye el correspondiente mapa, en el que se sombrean todas

las regiones brasileñas, excepto las cinco principales productoras de biodiesel (Figura 9B).

Tabla 3. Estados con mayor producción de biodiesel (y por tanto de glicerina) (Petrobras.com,

2011)

Estado Producción de biodiesel

(millones de litros/año)

Bahía 217,2

Río Grande so Sul 160

Paraná 127

Minas Gerais 108

Ceara 108

14%

23%

20%12%

31%

Bolsas de plástico Embalaje de alimentos(flexible)

Embalaje de alimentos(rígido) Productos de consumo

Agricultura


20

3.5.3. Suministro de energía y de combustibles

Entre las principales regiones productoras de energía de Brasil destacan Sao Paulo y

Río de Janeiro en el sector del petróleo y el gas natural, este último también es el estado de

mayor producción de energía nuclear. Por otra parte el estado de Paraná es el principal

productor de energía hidroeléctrica, sector en el que Brasil destaca a nivel mundial. Por

último, los estados de Rio Grande do Norte, Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Ceará,

Pernambuco y Bahia destacan en el sector de la energía eólica (Fig. 9C) (Anp.gov.br, 2006).

3.5.4. Suministro de agua

Las principales reservas de agua de Brasil se encuentran en torno al Amazonas,

ocupando regiones eminentemente deshabitadas como Amapá, Roraima, Pará, Amazonas,

Paraná, Mato Grosso y Acre (Fig. 9D) (Lima, 2001).

3.5.5. Disponibilidad zonal de mano de obra

El sureste de Brasil es la región más rica del país, responsable del 58% del Producto

Interior Bruto (PIB), y es donde se concentra la mano de obra más cualificada ya que alberga

las universidades más importantes del país. Entre los estados brasileños con mayor

disponibilidad de mano de obra se encuentran Minas Gerais, Río de Janeiro, Sao Paulo,

Paraná y Rio Grande do Sul (Fig. 9E) (Instituto Interamericano de Cooperación para la

Agricultura, 2004).

3.5.6. Condiciones geográficas y meteorológicas

Resulta necesario establecer una ubicación para el proceso de síntesis de PHB cuya

situación geográfica garantice condiciones meteorológicas favorables, estas son, temperaturas

suaves durante todo el año y precipitaciones moderadas, con esto la productividad será mayor

y se minimizarán costes derivados de subsanar condiciones climáticas extremas. Los estados

que mejor se ajustan a estas características son Ceará, Pernambuco, Goias, Río de Janeiro y

Sao Paulo (Fig. 9F) (INMET - Instituto Nacional de Meteorologia, 2011).


21

3.5.7. Infraestructura existente y necesidades de completarla

El sistema de transporte en Brasil está basado fundamentalmente en carreteras y

autopistas, adquiriendo especial importancia en las regiones más activas económicamente

como Sao Paulo o Rio de Janeiro. Por otra parte, el transporte ferroviario es de gran

importancia en estados como Sao Paulo, Rio de Janeiro, Minas Gerais y Rio Grande do Sul.

Respecto al transporte aéreo, los principales aeropuertos internacionales son el de

Campo Grande, en Rio de Janeiro, el de Guarulhos en Sao Paulo y el de Guararapes en

Recife.

Los puertos más importantes se encuentran en Belem (Pará), Fortaleza (Ceará), Porto

Alegre (Rio grande do Sul), Recife (Pernambuco), Rio de Janeiro (Rio de Janeiro), Santos

(Sao Paulo) y Vitoria (Espirito Santo).

Por último, cabe destacar que los principales núcleos industriales se encuentran en Sao

Paulo, Rio de Janeiro, Rio Grande so Sul, Paraná, Mato Grosso do Sul y Santa Catarina (Fig.

9G) (Nexus Infraestructure, 2011).

De la superposición de los mapas anteriores se obtiene un mapa de Brasil en el que se

aprecian diferentes tonalidades (Fig. 9H). Aquellos estados con una tonalidad más clara son

los ideales para el desarrollo del proyecto, siendo estos Sao Paulo, Paraná y Rio de Janeiro.

Un análisis más detallado concluye que el mejor estado para desarrollar el proyecto

industrial es Sao Paulo ya que, además de ser la región con mayor riqueza y el núcleo

industrial de Brasil, presenta las mejores infraestructuras que facilitan la comercialización del

producto y la mano de obra más eficiente y cualificada, que asegura la obtención de un

producto de calidad.


22

Figura 12. Mapas del método de cribado. (A) Zonas de consumo o mercados. (B) Disponibilidad de materias

primas. (C) Suministro de energía y de combustibles. (D) Suministro de agua. (E) Disponibilidad mano de obra. (F)

Condiciones geográficas y meteorológicas. (G) Infraestructuras existentes y necesidades de completarlas. (H)

Superposición de los mapas del método de cribado.

3.3 Simulación y especificaciones técnicas

Se lleva a cabo una simulación utilizando como herramienta principal el programa

Aspen Batch Process Developer. Dicha simulación se plantea para obtener aproximadamente

el 0,33% de la producción total de bioplásticos, que se estima en 1.000.000 toneladas/año

(Institute for bioplastics and biocomposites, 2012), por lo que se desea producir en torno a

3300 toneladas/año. A continuación se detallan las especificaciones técnicas del proceso,

abarcando desde la etapa de pretratamiento de la materia prima, hasta la purificación del

producto:

1. El primer paso de la etapa de pretratamiento se pasa una corriente de 197534

kg/ciclo de glicerina cruda a través de una bomba, hasta un evaporador a 144ºC,

con el que se pretende evaporar la mayor parte del metanol, hasta obtener una

corriente de 133093 kg/ciclo de glicerina al 89,1%. Se separa una corriente de

64441 kg/ciclo de metanol al 99,9% (0,1% glicerina). El tiempo de residencia es de

1,5 horas en el evaporador.

2. A continuación la corriente de glicerina al 89,1% se neutraliza con 678,25 kg/ciclo

de una solución de H2SO4 98% p/p en un tanque de reacción, cuyo tiempo de

residencia es de 2 horas.


23

3. El contenido del tanque de reacción es centrifugado, descartando el NaOCH3,

proteínas y cenizas. El tiempo de residencia en la centrífuga es de 1 hora.

4. Posteriormente, la mezcla resultante se lava a razón de 2,4 kg de agua por kg de

glicerina presente en la mezcla en un tanque, eliminando el NaOSO4 producido

durante la neutralización. El tiempo de residencia del tanque es de 2 horas.

5. El siguiente paso es una segunda evaporación en la que se extrae el 90% del agua.

El tiempo de residencia del evaporador es de 1,5 horas.

6. Por último se lleva a cabo una segunda destilación, separando la mayor parte del

agua restante en una corriente de agua 100%. Se obtiene una corriente de 121039,8

kg/ciclo, con una composición del 98% en glicerina, 2% en agua p/p. El tiempo de

residencia del destilador es de 2 horas. .

7. La etapa de acondicionamiento se inicia con la carga de 121039,8 kg/ciclo de

glicerina 98% p/p en un tanque de carga. El tiempo de carga es de 1 hora.

8. El contenido del tanque de carga se pasa a través de un microfiltro para

esterilizarlo, empleando 2 horas. La corriente de salida se envía a un tanque de

retención.

9. El 10% del contenido del tanque de retención se envía al fermentador 1 a través de

un intercambiador de calor para enfriar el medio hasta 35ºC, el tiempo empleado es

de 0,5 horas. El tanque de retención también se carga con el inóculo de E.coli.

10. A continuación se lleva a cabo la fermentación en el fermentador 1, a 35ºC, con un

tiempo de residencia de 21h a 35ºC, con aireación de 0,6 kg de aire. Se estima que

no queda medio de cultivo al final del proceso y se considera que no se produce

PHB.

11. El contenido total del fermentador 1 así como el resto del contenido del tanque de

retención, este último a través del mismo intercambiador de calor, se transfieren al

fermentador 2. Se emplea un tiempo de 1 hora.

12. Se lleva a cabo la fermentación en el fermentador 2, en la que se estima un

YPHB=0,34 g PHB/g glicerina. No se considera crecimiento celular. El tiempo de

residencia es de 22,5 horas a 35ºC, sin aireación. Simultáneamente a la

fermentación se produce la extracción del PHB gracias a la lisis espontánea de

E.coli, se estima un 80% de rendimiento de este proceso.

13. Mientras se lleva a cabo la fermentación en el fermentador 2, se inicia el lavado y

esterilización del fermentador 1, acciones en las que se emplean 2 horas.


24

14. Al finalizar la fermentación, el contenido total del fementador 2 es centrifugado,

separando células y glicerina, del PHB obtenido. Se estima un rendimiento del 87%

para este proceso.

15. Por último el fermentador 2 es lavado y esterilizado, empleando 2 horas en ello.

La simulación dio como resultado una producción de 30,02 toneladas de PHB por ciclo

de producción. Mediante la implementación de operaciones unitarias simultáneas se consiguió

reducir el tiempo de ciclo a 79,5 horas, permitiendo un total de 110 ciclos completos al año, lo

que supone un total de 3302 toneladas de PHB al año, muy próximo a las 3300 toneladas que

en un principio se estimaron. El diagrama de flujo y la representación 3D del proceso

generadas a través de la simulación se presentan en los Anexos I y II respectivamente.

3.4 Intrumentación y control

El éxito de todo proceso industrial está determinado en gran parte por la

implementación de un buen sistema de control que permita la correcta regulación de las

variables y parámetros claves asociados a cada una de las operaciones básicas que conforman

el proceso global.

Para ello, es esencial la anticipación a posibles errores del proceso, de forma que el

mecanismo de control debe ser capaz de detectar rápidamente cualquier perturbación sobre las

condiciones de operación establecidas y actuar eficientemente para anular sus posibles efectos

negativos.

3.3.1 Sistemas de control del pretratamiento

En nuestro proceso planteado es esencial que la materia prima sea pretratada

correctamente para asegurar que el producto obtenido tenga la calidad deseada. Por ello, es

importante que el sistema de regulación escogido sea lo suficientemente robusto como para

mantener todas las condiciones operantes bajo los rangos establecidos inicialmente.

En esta etapa de pretratamiento es necesario implementar un sistema de control en lazo

cerrado para el caso de los evaporadores, mediante el cual se consigue regular la temperatura

de estos gracias un mecanismo de apertura y cierre de una válvula que permite un cambio en

el flujo de vapor a través de dichas unidades, de esta forma nos aseguramos de que tanto el

metanol en el primer paso como el agua posteriormente sean evaporadas de forma correcta.


25

A través de la regulación de la temperatura en las columnas de destilación podremos

seguir la composición del caudal en cada uno de los tramos de esta y, de este modo, controlar

que la composición de la corriente de salida del destilador tenga una composición del 98% en

glicerina.

Para controlar que los caudales de entrada no presenten fluctuaciones, se incluirán una

bomba peristáltica, lo que asegurará un flujo de glicerina cruda estable por cada ciclo de

operación. El caudal de entrada de materia prima sin tratar será una de las variables

manipuladas más importante de todo el proceso, por lo que su control es fundamental para

obtener al final PHB de la pureza requerida.

Por otra parte, es necesario que la corriente ácida neutralizante mantenga un grado de

pureza en H2SO4 del 98%. Para controlar que este parámetro no sufre desviaciones

significantes que puedan alterar el proceso, se establece un medidor de pH, de forma que a

través del control de esta variable sea posible detectar cualquier cambio en la composición del

ácido.

Los sistemas de control especificados se implementarán in situ, mediante las sondas

correspondientes.

3.3.2 Sistemas de control del acondicionamiento y fermentación

Una vez ha sido esterilizada, la corriente de glicerina es enfriada en un intercambiador

de calor, cuya temperatura es regulada por el paso de una corriente de agua fría, por tanto, es

vital mantener un estrecho control de la temperatura de este caudal de agua mediante un

sensor de temperatura in situ, conectado a un sistema de retroalimentación o lazo cerrado, ya

que, cualquier desviación de su setpoint puede dar lugar a un pretratamiento inadecuado de la

glicerina. Una temperatura excesiva podría suponer un compromiso para la viabilidad celular

en las etapas posteriores.

Durante los procesos de fermentación, la medida de la presión se llevará a cabo

mediante un manómetro Bourdon. En ambos fermentadores, es necesario controlar la

densidad celular que se alcanza para evitar la saturación del tanque; esto se llevará a cabo

mediante un espectrofotómetro en línea o turbidímetro, que estará conectado al fermentador a

través de una goma que devuelve en forma de recírculo la biomasa medida al interior del

tanque. De esta forma, se controlará la densidad óptica a 600 nm de forma continua lo que

permitirá detectar de forma rápida cualquier anomalía en el crecimiento de las bacterias.


26

También es importante hacer un seguimiento de la cantidad de PHB que es liberado al

medio de cultivo, para poder determinar si las bacterias están liberando espontáneamente de

forma eficiente el producto y si la concentración que se obtiene de este en el medio a lo largo

del tiempo es la deseada. Para ello, se emplea un sistema de cromatografía de gases, y la

cantidad de PHB producida y liberado es cuantificado mediante el método de Braugmer

durante todo el proceso (Naranjo Vasco, 2010).

En ambos fermentadores, las condiciones de operación son muy similares: se requiere

una temperatura de en torno a 35 ºC, para mantener esta temperatura se necesita una camisa

de refrigerante alrededor del reactor. La temperatura se monitoriza mediante una sonda in situ,

conectada a un sistema de control cuyas acciones van dirigidas a variar el flujo de refrigerante

a través de la camisa. También se emplearán sendas sondas de pH in situ conectadas a

sistemas de control cuyo setpoint es de pH=7, este sistema de control actuará sobre una

bomba peristáltica que añadirá ácido o base fuerte al fermentador en función de las

variaciones de pH que se produzcan en este.

3.3.3 Sistemas de control de la extracción-purificación

En la última etapa del proceso se extrae una corriente del fermentador donde está

ocurriendo la bioconversión y se centrifuga para separar los compuestos sólidos, que

contendrá el producto de interés PHB junto con restos celulares. La centrífuga dispone de un

sistema de refrigeración con objeto de controlar la temperatura a la que opera, ya que el PHB

obtenido puede degradarse si la temperatura sube en exceso.

La extracción global y la pureza son calculadas a partir de análisis de cromatografía de

gases por el método de Braugmer (Naranjo Vasco, 2010).

3.5 Distribución de planta

Se decide diseñar una distribución por producto de la planta de producción ya que,

gracias a esta, se consigue un mayor aprovechamiento de la superficie de las instalaciones, lo

cual es importante debido al gran tamaño de los equipos a emplear. Por otra parte, los

materiales se desplazan de una unidad a otra, reduciendo al mínimo la circulación de estos así

como su manipulación, ello es importante para preservar la calidad del producto y aumentar la

automatización, disminuyendo los costes por mano de obra. La distribución de planta por


27

producto se caracteriza por su escasa flexibilidad, no obstante, el proceso diseñado se orienta

únicamente a la producción de PHB, por lo que dicha flexibilidad es prescindible.

A continuación se muestran un total de tres distribuciones de planta, la primera de

ellas corresponde a la planta baja del edificio (Fig. 10), la segunda a la planta primera (Fig.

11) y la última al tejado de las instalaciones (Fig. 12). Por tanto las instalaciones constan de

un total de dos pisos. En la distribución se representan una zona de carga de las materias

primas (A) y una zona de salida de los productos (F). La zona de maquinaria (D) ocupa las

dos plantas del edificio, esta se subdivide en tres zonas de operación, zona de pretratamiento

(D1), zona de acondicionamiento y fermentación (D2) y zona de extracción-purificación (D3).

Las instalaciones cuentan, además, con una sala de almacenaje (E) donde se encuentran los

tanques de los productos, residuos y depósito de agua. En la planta baja también encontramos

el laboratorio (G). La entrada consta de un recibidor (L) a través del cual se accede a los

vestuarios masculino (J) y femenino (H). A través de estos se accede a los respectivos baños

para el personal, el masculino (K) y el femenino (I). Por la entrada también accedemos a la

zona de descanso (M). En los exteriores de las instalaciones encontramos un jardín (B) y el

aparcamiento (C). La entrada consta también de una escalera (O) a través de la cual se accede

al primer piso así como de un ascensor (N). En el primer piso encontramos el despacho de

dirección (Q) y sala de reuniones (P). A través del pasillo accedemos a la enfermería (R) y a

la cocina-comedor (S). Por último, en el tejado del edificio podemos ver las salidas de gases

instaladas (T).


28

Figura 10. Distribución de la planta baja.

Figura 11. Distribución de la planta primera.


29

Figura 12. Distribución del tejado.

3.6 Análisis del potencial económico

El sector de los bioplásticos se representa un camino viable hacia la producción de

plásticos no procedentes de combustibles fósiles. Este hecho se ha constatado en gran medida

al involucrarse grandes compañías del sector en asociaciones de productores y proveedores de

bioplásticos (Fig. 13).

Figura 13. Evolución del número de empresas de bioplásticos hasta 2007 (Ecoembes, 2007).


30

Los puntos de interés en cuanto a aplicaciones de bioplásticos se centran en los

sectores de los embalajes, medicina, agricultura y productos desechables (Tabla 4). Sin

embargo, con el avance de esta industria se ha ampliado la utilización de biomateriales,

aplicándose también en teléfonos móviles, ordenadores, y dispositivos de audio y vídeo. Se

estima que el 10% de los plásticos que actualmente se emplean en la industria electrónica

pueden ser reemplazados por biopolímeros (Ecoembes, 2007).

Tabla 4. Resumen de biomateriales desarrollados y sus aplicaciones genéricas (Ecoembes, 2007).

Compañía Producto registrado Polímero Aplicaciones de mercado

BASF ECOVIO Ecoflex + PLA Bolsas de mercado

NOVAMONT Mater-Bi Origo-Bi PHA-PHB Poliésteres

biodegradables Film envolver

BBT-AG Biopar Ecoflex + PLA Bolsas de mercado, film

TELLES Mirel Natural Plastic PHA Películas y moldeo

Du Pont Sonora PDO Fibras textiles

FKUR GMBH Bioflex PLA + Poliéster Film

Biopearls Biopearls PLA Moldeo

Respecto al mercado de polihidroxialcanoatos en particular, modelos como el de la

compañía estadounidense Metabolix, que ha logrado altas velocidades de producción

consiguiendo tiempos de fermentación inferiores a 40 horas y continúa investigando para

aumentar la rentabilidad económica del proceso, son claros ejemplos de que estos materiales

pueden ser una alternativa importante a los plásticos convencionales (Naranjo Vasco, 2010).

En la Tabla 5 aparecen importantes empresas productoras de PHB y algunas de sus

características de interés.

El objetivo del proceso es proporcionar el 0,33% de la producción mundial de

bioplásticos. Puesto que la producción mundial es de aproximadamente 1.000.000 de

toneladas anuales de PHB (Institute for bioplastics and biocomposites, 2012), el proceso se

diseña para producir 3.300 toneladas de PHB al año. Para alcanzar este nivel de producción es

necesario emplear aproximadamente 21729 toneladas de glicerina cruda al año. El precio de

esta materia prima se sitúa en 0,0369 €/kg (The Jacob Sen, Thejacobsen.com, 2013).


31

Tabla 5. Principales productores de PHB y precio de venta del producto (Naranjo Vasco, 2010).

Producto Compañía Sustrato Precio (€/kg) Producción (t/año)

Biomer Biotechnology Co.,Germany Sacarosa 20€kg (2003)

3-5€/kg (2010) 50 (2003)

Biocycle PHB industrial S/A company, Brasil Caña de azúcar 10-12€/kg (2003)

2,5-3€/kg (2010)

1400 (2003)

600000(2010)

Biogreen Mitsubishi GAS Chemical, Japón Metanol 2,20€/kg (2010) -

P(3HB) Metabolíx, EE.UU. - - -

También se consumen 74,6 toneladas de H2SO4 al año aproximadamente, cuyo precio

está en torno a los 0,25 €/kg. El precio de la cepa de E.coli se supone despreciable así como la

aireación y el resto de elementos no citados.

Durante el proceso de generan 7088,5 toneladas de metanol al año. El precio de venta

del metanol ronda los 0,33 €/L, es decir, 0,26 €/kg (Methanex, mayo 2013), por lo que se

plantea un precio de venta más competitivo, en torno a 0,20 €/kg.

El precio más bajo al que es vendido el PHB es de 2,20 €//kg, impuesto por la empresa

Mitsubishi GAS Chemical (Japón) en el año 2010 (Tabla 5) por lo cual, se fija un precio de

venta de mayor competitividad, de 2,00 €/kg PHB. El resultado de la simulación indica que se

generarán 3302 toneladas al año.

El potencial económico (PE) , definido como la diferencia entre los ingresos estimados

por ventas y el coste de las materias primas, del proceso es el siguiente:

𝑃𝐸 = 𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 − 𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑠

𝑃𝐸 =3302000 𝐾𝑔 𝑃𝐻𝐵

𝑎ñ𝑜∙

2,00€

𝑘𝑔 𝑃𝐻𝐵+

7088500 kg 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑎ñ𝑜∙

0,20€

𝑘𝑔 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

− 21729000 𝐾𝑔 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎

𝑎ñ𝑜∙

0,0369 €

𝑘𝑔 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎

− 74600𝐾𝑔 𝑠𝑢𝑙𝑓ú𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑎ñ𝑜∙

0,25€

𝑘𝑔 𝑠𝑢𝑙𝑓ú𝑟𝑖𝑐𝑜= 7.201.250 €/𝑎ñ𝑜


32

Como se puede observar, se obtiene un potencial económico positivo para el proceso,

lo cual indica que el proceso, a priori, es económicamente viable.

4.Conclusiones

Los bioplásticos representan una fuerte alternativa frente a los plásticos

convencionales, procedentes de recursos limitados. Concretamente el PHB presenta

características excelentes tales como su biodegradabilidad, baja toxicidad y resistencia, que lo

sitúan como el material idóneo para la explotación del mismo por determinados sectores,

como el farmacéutico, la agricultura, la medicina o la electrónica.

A pesar de sus excelentes propiedades, el menor costo de los plásticos convencionales

sitúan al PHB en un segundo plano en el mercado. No obstante, las recientes investigaciones

sobre nuevas materias primas más baratas, cepas bacterianas más eficientes y sistemas de

extracción-purificación menos costosos están acercando cada vez más el precio de este

material al de los plásticos fósiles.

Mediante el empleo de un sustrato barato tal como es la glicerina procedente de la

industria del biodiesel se consigue un gran ahorro económico, aumentando la rentabilidad del

proceso. Por otra parte, el empleo de una cepa de E.coli modificada genéticamente, con un

buen rendimiento de producción de PHB y capaz de liberar este espontáneamente al medio

redujo significativamente los costes de purificación y extracción, aumentando además el

rendimiento global del proceso ya que la centrifugación es un proceso relativamente barato si

se compara con los métodos convencionales, basados en disrupción mecánica, enzimática o

química y en extracciones con solventes, generalmente caros.

Se opta por una producción en discontinuo por lotes, debido a la larga duración de las

fermentaciones, con altos tiempos de residencia y grandes volúmenes.

Mediante simulación se consiguió reducir el tiempo de ciclo gracias al diseño de

etapas simultáneas del proceso, lo cual reduce los tiempos muertos, aumentando el

rendimiento global del proceso.

A través de sistemas de instrumentación y control se pretende controlar las variables

del proceso, impidiendo que perturbaciones de estas puedan afectar al rendimiento del

proceso.


33

Con objeto de optimizar el aprovechamiento de las instalaciones, se optó por una

distribución de planta por producto, minimizando así la circulación de materias primas y

productos, garantizando la pureza de estos y mejorando la automatización, lo cual, a la larga,

supone una reducción de los costes por mano de obra cualificada.

Un análisis detallado de la producción de biodiesel mundial permite establecer a Brasil

como el país de preferencia para la situación del proceso, basado en el empleo de glicerina

procedente de la industria del biodiesel, de la cual se prevé que Brasil sea la principal potencia

en un periodo de tiempo relativamente corto.

Por otra parte, mediante el método de cribado se establece Sao Paulo como el

emplazamiento idóneo para situar la planta, debido a su excelente disponibilidad de mano de

obra, materia prima, red de transportes, clima etc. Todo ello permite un mejor

aprovechamiento de los recursos y una reducción de los costes del proceso.

Por último, el análisis económico puso de manifiesto que mediante la propuesta de

mejoras de la producción de PHB referentes a la materia prima y al proceso de extracción-

purificación, puede obtenerse un proceso productivo económicamente rentable.

Como posibles estudios futuros se proponen la recirculación de la glicerina a la salida

del fermentador, con objeto de reducir aún más los costes por adquisición de materia prima.

También se plantea un estudio de la capacidad autolítica de otros organismos diferentes a

E.coli, que presenten una mayor acumulación en peso seco de PHB con el objetivo de

aumentar el rendimiento global del proceso.

Así mismo, se plantea el estudio de mutantes que presenten defectos en las proteínas

de la cubierta de los gránulos, también denominadas fasinas, con el fin de observar el efecto

de estas mutaciones sobre la liberación de los gránulos.

Por último se propone el estudio de cultivos mixtos de diferentes especies

microbiológicas que puedan producir un efecto sinérgico que aumente el rendimiento del

proceso (Verlinden y cols., 2007).


34

Referencias

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Anexo I


38

Anexo II

producción de phb a partir de residuos de la industria del biodiesel

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