MEJORAMIENTO DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE RAQUIS DE PALMA

1. Juan Fernando Arenas B. Mariana Peñuela Vásquez, PhD Tutora MEJORAMIENTO DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE RAQUIS DE PALMA Grupo de Bioprocesos Facultad de Ingenieria Universidad de Antioquia

2. Contenido Introducción Aspectos Teóricos Objetivos • Materiales y métodos • Resultados • Conclusiones

3. Planteamiento del Problema Materiales Lignocelulósicos Ventajas Desventajas • Fácil acceso • Bajo costo • Mitigación de impactos ambientales • Integración de procesos • Madurez de las tecnologías para desarrollar pretratamientos • Costo de producción de enzimas • Diferencia de condiciones entre las enzimas y las levaduras

4. Aspectos Teóricos SSF: Sacarificación y fermentación Simultáneas Glucosa S. Cerevisiae Celulosa Etanol Celulasas

5. SSF: factores involucrados Temperatura

6. Aspectos teóricos – el estrés celular • El estrés celular es una respuesta metabólica de los organismos para interactuar con un conjunto de condiciones externas que afectan su funcionamiento, activando un mecanismo de defensa que permita sobrevivir al estado de estrés o disparando la fase de muerte celular para que eventualmente se eliminen las células dañadas en el proceso (Fulda, Gorman, Hori, & Samali, 2010)

7. Aspectos teóricos – el estrés celular • El estrés de las levaduras se manifiesta por la síntesis de proteínas de shock (HSP: heat shock proteins), incremento de los niveles de trehalosa y glicerol, alteraciones de la composición de la membrana lipídica, entre otras. • El estrés térmico y osmótico producen reacciones similares a nivel celular.

8. Enzimas glicolíticas Plegamiento de proteínas 360 Proteínas estructurales

9. Funciones del zinc en el metabolismo celular (Zhao, 2011)

10. Objetivos El propósito del trabajo y como afrontar los retos…

11. Objetivo General • Estudiar algunos de los factores de mayor influencia en la producción de etanol, mediante sacarificación y fermentación simultánea de la fracción celulósica del raquis de palma africana, empleando la levaduras S. cerevisiae.

12. Objetivos Específicos • Determinar la influencia de la suplementación de los medios de cultivo con Zn2+ sobre la termotolerancia y osmoresistencia de las levaduras objeto de estudio. • Evaluar el efecto de la temperatura, el pH, la concentración de sólidos y la carga enzimática en la hidrólisis enzimática, así como la influencia de sus interacciones sobre el proceso. • Analizar el desempeño de la levadura en los sistemas SSF para la producción de etanol. • Establecer las condiciones operacionales del sistema SSF para optimizar la producción de etanol, considerando las características de termotolerancia y osmoresistencia de la levadura.

13. Materiales y Métodos

14. El Sustrato Tratamiento ácido

15. La Levadura La enzima

16. Métodos analíticos

17. Desarrollo Experimental Resultados no concluyentes

18. Desarrollo Experimental S. cerevisiae bajo condiciones de estrés [EtOH] = 20 g/L, T =  40°C. E5: Concentración de Zn2+=0.01g/L, E7: Concentración de Zn2+=0.1g/L, B2: blanco Rediseño de los medios de cultivo Replanteamiento del esquema experimental

19. Desarrollo Experimental - Medio Modificado Medio modificado para S. cerevisiae

20. Desarrollo Experimental

21. Desarrollo experimental - Estudio del raquis como sustrato para los procesos SSF

22. Influencia del zinc sobre el crecimiento a diferentes temperaturas – Matriz experimental S. cerevisiae

23. Influencia del zinc sobre el crecimiento a diferentes temperaturas – S. cerevisiae 37 °C 37 °C 50 °C

24. Evaluaciones con material lignocelulósico Raquis de palma

25. Desarrollo experimental – Cinética de hidrólisis

26. Desarrollo experimental – Cinética de hidrólisis • Arreglo experimental 32 con tres repeticiones del punto central

27. Desarrollo experimental – Cinética de hidrólisis Cinética de hidrólisis enzimática para el raquis de palma para condiciones optimizadas. Enzima: Acellerase 1500, Carga: 16.73FPU/g Buffer citrato pH 4.8 Temperatura = 50°C

28. Desarrollo experimental – Determinación del inoculo 2 g/L Cinéticas de producción de etanol a partir de EFB para diferentes concentraciones de inóculo de S. cerevisiaeEthanol Red. Concentraciones de levadura: E1, E2 = 2 g/L; E3 = 3 g/L; E4 = 5 g/L; E5, E6 = 6 g/L; E7 = 4 g/L.

29. Estudios de suplementación sobre sistemas SSF empleando raquis

30. Desarrollo experimental-Determinación de la línea base Cinética de producción de etanol usando raquis como sustrato en sistema SSF con S. Cerevisiae Condiciones mejoradas: Pretratamiento alcalino termopresurizado S/L 1:15 Carga enzimática 16.73 FPU/g Tiempo de prehidrólisis 36 horas

31. 37 °C 41°C 45°C Influencia del zinc sobre la producción de etanol a diferentes temperaturas – S. cerevisiae

32. Evaluación de la suplementación – S. cerevisiae • Arreglo experimental 32 con tres repeticiones del punto central

33. Influencia del zinc sobre la producción de etanol a diferentes temperaturas – S. cerevisiae

34. Validación de Resultados

35. Validación de Resultados – S. cerevisiae

36. Rendimientos

37. Conclusiones • Temperatura de trabajo y suplementación con ZnSO4 • Realmente no se logró un aumento en la temperatura de operación, pero la suplementación permitió una mejora global en la producción de etanol .

38. Conclusiones • Relación sólido – líquido (S/L) • La realización de los procesos SSF a altas relaciones sólido – líquido favorece su rendimiento global pues se alcanzan mayores concentraciones de azúcares. • Se incremento la relación de 10 a 15 para el raquis, empleando un criterio operacional

39. Conclusiones • Tiempo de prehidrólisis • Fue necesario triplicar el tiempo de hidrólisis para aumentar la producción de etanol. • Este aspecto debe mejorarse pues los costos asociados reducen la competitividad del proceso. • La naturaleza del sustrato es el aspecto más limitante del proceso

40. Conclusiones • Carga enzimática • Se logró una disminución del 44% en el consumo de enzima • Comparativamente con otros materiales el raquis de palma requiere menos enzima para su hidrólisis, precisamente por ser la etapa limitante del proceso.

41. Conclusiones • Concentración del inóculo • Se fijó en el valor mínimo de 2g/L, esto se traduce en ahorro en la cantidad de biomasa necesaria • Tiempo de fermentación • Es el aspecto más problemático del proceso, pues resultó ser muy prolongado. • Tiene componentes tanto de la fase de adaptación como de la velocidad de hidrólisis del material.

42. Conclusiones – Comparación con estudios similares

43. Juan Fernando Arenas B. Grupo de Bioprocesos Universidad de Antioquia juan9188@gmail.com MEJORAMIENTO DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE RAQUIS DE PALMA