yamil liscano martínez a, Ángela adriana ruiz-colorado a, sandra daza a, alejandra maría peláez...

Yamil Liscano Martíneza, Ángela Adriana Ruiz-Coloradoa, Sandra Dazaa, Alejandra María Peláez Ruiza, Hader Castaño

Peláezb, Alfredo Martinezc, Cessna Mossc

a Universidad Nacional de Colombia Sede Medellínb Politécnico Jaime Isaza Cadavid, Medellín, Colombia

c Universidad autónoma de México, Cuernavaca, México

PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE TALLOS DE YUCA (Manihot esculenta crantz) PRETRATADOS

(https://liberiamissionblog.wordpress.com/, 2014)

INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES OBJETIVOS METODOLOGÍA RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA

2

ProblemasProblemas BeneficiosBeneficiosFig 1. Materiales lignocelulósicos para producción de etanol

Disminuyen reservas petróleo 7% anual (Zandvliet, 2011)

Contaminación ambiental Co2

6-8 gigatoneladas anuales (López et al.,

2011)

Seguridad alimentaria (Sánchez y Cardona,

2008)

Alta disponibilidad, 200 mil millones Ton

anuales (Ragauskas, 2006)

Reducción 80% gases invernadero (Londo,2010)

Adaptación a condiciones difíciles

(Aguilera, 2012)

https://liberiamissionblog.wordpress.com/

https://liberiamissionblog.wordpress.com/

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SFS (Sacarificación y fermentación simultánea) SFS (Sacarificación y fermentación simultánea) S.cerevisiae (Ethanol Red)S.cerevisiae (Ethanol Red)

Fig 2. Etapas para la producción de etanol de biomasa lignocelulosica


HFI (Hidrólisis y fermentación HFI (Hidrólisis y fermentación independiente) independiente) E.coli MS04E.coli MS04

*Aumenta tasa de hidrólisis por conversión de azúcares

*Requerimiento bajo de enzima

*Eleva rendimiento producto*Disminuye inhibición enzimática*Duración corta proceso

(Sun y Cheng, 2002)

PretratamientoHidrólisis

enzimática Fermentación

EtanolHidrólisis enzimática + Fermentación

Hidrotratamiento

Ácido diluido

Solventes orgánicos

AFEX

Hidrólisis alcalina

Lignocelulósicos

(Lynd et al, 2002)

El objetivo de este trabajo fue obtener etanol de tallos de yuca, mediante la evaluación de los pretratamientos ácido diluido e hidrotérmico, y SFS con S.cerevisiae e HFI con E.coli MS04.

4

INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES OBJETIVO METODOLOGÍA RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA

5


Tabla 1. Factores de cada proceso con diferentes niveles y la variable respuesta. Diseño Central compuesto con superficies de respuesta.

Proceso Factores Niveles Tipo de variable Variable respuesta

Hidrotérmico (Pabón y Ospina, 2009; Garrote,

2001; Ballesteros ,2002)

Temperatura (°C) 159,77 - 210,23 Aleatoria

Rendimiento g de azucares (xilosa + glucosa)/

g biomasa inicial)

Tiempo (minutos) 1,59 - 18,41 Aleatoria

Concentración de sólidos (% p/v) 8,3 - 12,5 Aleatoria

Tamaño de partícula (mm diámetro) 2 – 3 mm Fija

Ácido diluido (Pabón y Ospina, 2009; Garrote,

2001; Ballesteros ,2002; Sassner, 2008)

Temperatura (°C) 135 - 164 AleatoriaConcentración de ácido (%p/p) 0,146 -0,854 Aleatoria

Concentración de sólidos (% p/v) 10 Fija

Tamaño de partícula (mm diámetro) 2 -3 mm Fija

Tiempo (minutos) 5 Fija

SFS (Castaño, 2011)

Actividad enzimática (FPU/mL) 4-11 Aleatoria

Etanol (g/L)Inóculo (g/L) 1,59 - 4,41 AleatoriaTemperatura (°C) 38°C FijoAgitación (rpm) 130 FijoTiempo (horas) 72 Fijo

Tallos de Yuca: Variedad Copiblanca, Urabá•Molidos (2-3mm diámetro)•9,64% Humedad inicial

Pretratamiento ácido diluido: •10% sólidos•Volumen 200mL•0,85% ácido•164 °C•5 min

Hidrólisis enzimática:•10% sólidos•Celulasa: Multiefect B 56,92 FPU/mL•Volumen 100 mL•50°C•pH:4,8

Fermentación:E.Coli MS04 Hexosas y Pentosas•Volumen 2L•37°C•pH:7,0•300 rpm•48 horas

6

Caracterización (NREL)

Fig 3. Proceso de producción de etanol de tallos de Yuca

SFS:•S.Cerevisiae (Ethanol Red) Hexosas•10% sólidos •Volumen 50mL•38°C•pH: 5,0 •Celulasa: Celluclast 33 FPU/mL•130 rpm•72 horas

Etanol (HPLC fase reversa)

Pretratamiento Hidrotérmico: •18,3 – 12,5% sólidos, •Volumen 200mL, •1,59 -18,41 min


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ComponenteEste Trabajo *

( %)

Celulosa 39,82 ± 0,62

Hemicelulosa 7,34 ± 0,11

Lignina 30,36 ± 0,41

Cenizas 3,72 ± 0,02

Extractivos total 22,25 ± 0,99

Total 103,48

*Datos de la tabla metodología NREL basado en peso seco


Tabla 2. Caracterización tallos de Yuca

8

Figura 4. Contorno. Relación % Sólido- Tiempo – Rendimiento de azúcares (Xilosa+Glucosa) / gramos biomasa inicial.

Tabla 3. ANAVA del rendimiento azúcares (G+X/Biomasa inicial)

Hidrólisis enzimática de pretratamiento hidrotérmico

Termino Coeficiente pConstante 0,0269 0,0000Temperatura (°C) 0,0018 0,4620Tiempo (min) -0,0047 0,0750Sólidos (%) 0,0089 0,0040Temperatura (°C)*Tiempo (min) -0,0107 0,0690

Temperatura (°C)*Sólidos (%) 0,0009 0,8710Sólidos (%)*Tiempo (min) -0,0039 0,4710

R2 0,74 Shapiro Wilk 0,837


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Tabla 4. ANAVA del rendimiento azúcares (G+X/Biomasa

inicial) Fig 5. Contorno. Relación % Ácido – Temperatura – Rendimiento de azúcares (Xilosa+Glucosa) / gramos biomasa inicial.

Hidrólisis enzimática de Pretratamiento ácido diluido

Termino Coeficiente pConstante 0,0664 0,0000

Concentración ácido (%) 0,0027 0,6960

Temperatura 0,0238 0,0080

Temperatura (°C)* Concentración ácido (%)

0,0229 0,1270



Fig 6. Rendimientos azúcares fermentables después de hidrólisis enzimática

10


11

Fig 7. Valores óptimos para los factores del pretratamiento ácido diluido despues de hidrólisis Enzimática

Tabla 5. Condiciones para confirmar la condición óptima

Suma de

cuadradosGL

Cuadrado medio

F p

Entre grupos 0,313 3 0,104 11,593 0,002

Dentro de grupos

0,072 8 0,009

Total 0,385 11

Tabla 6. ANAVA

Validación óptimo ácido diluido

Factores Variable respuesta

Condición Acido (%) Sólidos (%) Tiempo (minutos)

Temperatura (°C)

Valores promedio g azucares/g biomasa en

natura

Desviación estándar

1 0,75 10 5 160 0,5265 0,02872 0,85 10 5 164 0,6688 0,11773 1 10 5 170 0,5049 0,14294 1,5 10 5 175 0,3783 0,0288


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Fig 8. Producción de etanol y consumo de azúcares (E.coli MS04)

Tabla 7. Parámetros evaluados de las fermentaciones

Cepa Tiempo (h) Y p/s (g/g)

Producción de Etanol

(g/L)Productividad (g/Lh) Rendimiento ( %)

Azúcares iniciales

(g/L)

E.coli 24 0,48 8,87 0,37 94,44 19,12

Hidrólisis y fermentación independiente (HFI)


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Sacarificación y fermentación simultánea (SFS)

Fig 9. Producción de Etanol y Consumo de Glucosa (S. cerevisiae)


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7,5 FPU/mL de actividad enzimática y 3,67 g/L del inóculo

Tabla 8. ANAVA concentración de etanol (g/L) Fig 10. Contorno. Relación Actividad enzimática – Inóculo-Rendimiento de azúcares (Xilosa+Glucosa) / gramos biomasa inicial.

Sacarificación y fermentación simultánea (SFS)

Término Coeficiente p

Constante 1,1909 0,000

Actividad enzim. 0,1918 0,003

INOCULO 0,3026 0,000

FPU*INOCULO -0,1348 0,160



1. Los tallos de yuca Variedad Copiblanca presentan potencial para la producción de azúcares fermentables.

2. El pretratamiento que mejor dio resultados fue el ácido diluido.

3. La levadura Ethanol Red, en SFS produjo un máximo de 2,38 g/L de etanol

4. La cepa de E.coli MS04, consume tanto pentosas como hexosas con rendimientos del 94% y con concentraciones de etanol de 8,87 g/L.

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PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE TALLOS DE YUCA (Manihot esculenta crantz) PRETRATADOS


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17

Bibliografía

http://opsur.files.wordpress.com/2011/01/el-pico-de-petrc3b3leo-y-el-destino-de-la-humanidad.pdf

18

.

Fig 11. Modificaciones genéticas a la cepa E.coli (Fernández, 2012)

19

Fig 12. Distribución tamaño de partícula después de moler

20

Componente

Este artículo antes de pretratamiento*

Han et al., 2010*

Castaño et al., 2011**

Martín et al., 2007

***

( %) (%) ( %) (%)

Celulosa 39,82 ± 0,62 35,2 38,8 35,2

Hemicelulosa 7,34 ± 0,11 24,3 7,2 12, 3

Lignina 30,36 ± 0,41 33,8 11,8 31

Cenizas 3,72 ± 0,02 2,2 - 8

Extractivos total 22,25 ± 0,99 - - 7,6

Total 103,48 95,5 57,8 94,1

*Datos de la tabla metodología NREL basado en peso seco**Datos de la tabla metodología Van Soest basado en peso seco. *** Datos Lignina de Klason


Tabla 2. Caracterización tallos de Yuca

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Fig 13. Control SFS

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