Fermentación de residuos agrícolas: producción de bioalcoholes y ácidos de cadena media

 

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Fermentación de residuos agrícolas: producción de bioalcoholes y ácidos de cadena media ​

La Unidad Académica Juriquilla (UAJ) participa en el Clúster Bioalcoholes del Centro Mexicano de Innovación en Bioener­gía, financiado por el Fondo de Sustentabilidad Energética de la SENER-CONACYT. Este artículo describe las actividades rea­lizadas en diferentes áreas.

1.      Fuentes de biomasa

Biomasa se refiere a todo material proveniente de microorga­nismos, plantas y animales. En México los residuos forestales, agrícolas y agroindustriales están entre las fuentes más abun­dantes de biomasa.¹ La UAJ ha realizado trabajo en campo para determinar la disponibilidad y composición de biomasa de origen agrícola y agroindustrial, generada de los cultivos de maíz, trigo, caña de azúcar y agave azul. Estos cuatro cultivos en conjunto producen poco más de 43 millones de toneladas de residuos anuales (Fig. 1). La distribución por tipo de cultivo es 50% de residuos de maíz (rastrojos y olotes), 37% de resi­duos de caña de azúcar (bagazo), 9% de rastrojos de trigo, y 1% de bagazo de agave generado de la industria tequilera. Es­tos residuos tienen una composición de hasta 80% de celulosa y hemicelulosa, por lo que se clasifican como biomasa lignoce­lulósica que pueden ser aprovechados para producir bioalco­holes de segunda generación (2G). El trabajo de la Unidad en conjunto con otras Instituciones ha permitido determinar que es factible instalar al menos 34 plantas industriales denomina­das biorrefinerías en 16 estados de la República para producir bioetanol 2G.²

2.      Pretratamiento biológico de la biomasa lignocelulósica

 

Una limitante en el uso de biomasa lignocelulósica para la pro­ducción de bioalcoholes es su naturaleza recalcitrante. Para sol­ventar esto, se debe aplicar un pretratamiento a la biomasa con el fin de mejorar la disponibilidad de los azúcares para los mi­croorganismos que producen el bioalcohol. El grupo de investi­gación de la Unidad desarrolla esquemas de biorrefinería basa­dos en pretratamientos biológicos (Fig. 2). Los pretratamientos se basan en consorcios microbianos que tienen la capacidad de hidrolizar la hemicelulosa y celulosa en azúcares simples, con la producción simultánea de hidrógeno y ácidos grasos voláti­les (AGV).³ Análisis detallados de las comunidades hidrolíticas muestran que bacterias del género Clostridium y Lactobacillus, tienen un rol importante en el pretratamiento de la biomasa, ya que presentan actividad hidrolítica y fermentativa. Además, se están explorando el uso de otros consorcios microbianos con alta capacidad hidrolítica, como las bacterias presentes en el ru­men de las vacas,⁴ las cuales han demostrado tener capacidad de hidrolizar distintas biomasas lignocelulósicas, como el bagazo de agave azul y de caña de azúcar.

3.      Producción de biobutanol a través de fermentación acetobutílica

 

Una vez realizado el pretratamiento biológico, la biomasa lignocelulósica queda enriquecida con la celulosa que no fue consumida.⁵ Esta celulosa puede ser convertida en biobutanol en una segunda etapa. El biobutanol es un alcohol de cuatro carbonos que tiene mejores propiedades que el bioetanol para ser utilizado como biocarburante en el Sector Transporte. El biobutanol se produce bioquímicamente con bacterias del género Clostridium a través de la fermentación acetobutílica produciendo una mezcla de acetona-butanol-etanol (Fig. 2). Los estudios que se llevan a cabo en la Unidad Juriquilla tienen como objetivo producir solventes ABE utilizando consorcios microbianos donde prevalezcan las especies de Clostridium. Los estudios tecno-económicos indican que el uso de consor­cios microbianos en la producción de biobutanol tendría me­nores costos de producción y mayor eficiencia energética que al utilizar cultivos puros.⁶ Las estrategias que se siguen en el laboratorio para lograr la producción de biobutanol a partir de residuos agrícolas contempla aclimatación de los consorcios a condiciones que favorezcan la fermentación acetobutílica, bioaumentación con especies de Clostridium, y utilización de hidrolizados ricos en azúcares.

4. Fermentación de ácidos de cadena media

Además de la producción de solventes ABE, también se ha de­tectado la acumulación de ácido n-caproico y ácido caprílico (Fig. 2), productos de alto valor agregado si se considera que el precio del ácido n-caproico es 10 veces mayor que para los bioalcoholes. En la industria farmacéutica el ácido caproico se utiliza como agente microbiano, aditivo en la alimentación animal y como reactivo en la industria química, entre otros. En cuanto al ácido caprílico se utiliza como agente microbiano en la agricultura⁷,como precursor renovable para diésel y com­bustible de aviación⁸.

Se sabe que la producción del ácido n-caproico se lleva a cabo por Clostridium kluyveri. El proceso se conoce como elon­gación de la cadena y se lleva a cabo a través de la vía de la β-oxidación inversa a partir de los ácidos carboxílicos de cade­na corta como el ácido acético y/o n-butírico. La producción de los ácidos caproico y caprílico también se presenta en consor­cios microbianos presentes en digestores anaerobios donde el principal producto es metano, bajo condiciones especiales, por ejemplo, cuando se agrega un compuesto reducido como el etanol, e inhibiendo la metanogénesis (reduciendo el valor del pH), es factible producir ácido caproico o ácido caprílico a partir de acetato o butirato. Actualmente en la Unidad Juriqui­lla, se conduce un proyecto (DGAPA-PAPIIT) enfocado a la pro­ducción de ácido caproico y caprílico a partir de los efluentes de la industria vitivinícola acoplada al proceso de la digestión anaerobia. Los residuos vitivinícolas presentan una elevada concentración de etanol (hasta 120 g/L) y una elevada deman­da química de oxígeno (250 g/L), por lo que es un residuo idó­neo para implementar una plataforma para la producción de ácidos carboxílicos como los ácidos caproico y caprílico que podrían contribuir a valorizar los residuos de la industria vi­tivinícola para producir productos de alto valor agregado que pueden contribuir a la economía de la biorrefinería.

​5.      Tratamiento de residuos de una biorrefinería etanol 2G

El proceso de producción de bioalcoholes genera residuos tan­to líquidos como sólidos, los cuales necesitan tratamiento an­tes de ser dispuestos. Una alternativa interesante para tratar estos efluentes es la utilización de un proceso anaerobio en dos etapas (Fig. 2). En la primera etapa, llamada acidogénica, las bacterias transforman la materia orgánica en ácidos gra­sos volátiles (AGV) como el acético, propiónico y butírico. En la segunda etapa, o metanogénica⁹, estos AGV son transforma­dos por arqueas en biogás (metano y bióxido de carbono). Al separar el proceso en dos etapas, se aseguran las condiciones óptimas para cada grupo de microorganismos responsable del proceso. El objetivo de la investigación es evaluar la produc­ción de biogás a partir de residuos generados de una biorrefi­nería 2G en un proceso anaerobio en dos etapas (Fig. 3).

La caracterización de los residuos de biorrefinería mues­tra que contienen una elevada concentración de carbohidratos (28.4 ± 0.6 g/kg) y carbono orgánico (32 ± 2 g/kg). Cuando es­tos residuos alimentan a la primera etapa acidogénica, la ma­yor parte de la materia orgánica se transforma en AGV, donde el acetato representa alrededor de 40%. En la segunda etapa del proceso, los AGV se transforman en metano con un rendi­miento de 95 mLCH4/gDQO, utilizando un tiempo de reten­ción hidráulica de tres días. Los resultados sugieren que existe una posible inhibición de los microorganismos metanogénicos por la presencia de compuestos inhibitorios generados en el proceso de biorrefinería.¹⁰ La concentración de metano en el biogás lograda es de 67% con una remoción de materia orgá­nica de hasta 60%.

Conclusiones y perspectivas

El trabajo en conjunto de la Unidad Académica Juriquilla ha permitido establecer procesos novedosos para la converción de residuos agrícolas y agroindustriales en bioalcoholes car­burantes para el Sector Transporte, pero también otros pro­ductos con mayor valor agregado que pueden ser de interés para distintos sectores productivos.

Referencias

1. Valdez-Vázquez, I.; Acevedo-Benítez, J. A. y Hernández-Santiago, C. (2010). Renew Sustain Energy Rev 14(7):2147-2153.

2. Hernández, C.; Escamilla-Alvarado, C.; Sánchez, A.; Alarcón, E.; Ziarelli, F.; Musule, R. y Valdez-Vázquez, I. (2019). Biofuels, Bioproducts & Biorefining.

3. Valdez-Vázquez, I.; Morales, A. L. y Escalante, A. E. (2017). Microbial Biotechnol 10:1569-1580.

4. Carrillo-Reyes, J.; Barragán-Trinidad, M. y Buitrón, G. (2016). Algal Research, 18:341-351.

5. Valdez-Vázquez, I.; Pérez-Rangel, M.; Tapia, A.; Buitrón, G.; Molina, C. E.; Hernández, G. y Amaya-Delgado, L. (2015). Fuel 159:214-222.

6.Valdez-Vázquez, I. y Sanchez, A. (2018). Biofuel Bioprod Bior 12(1):56-67.

7. Kenealy, W. R.; Cao, Y. y Weimer, J. (1995). Appl Microbiol Biotechnol 44:507-513.

8. Harvey, B. G. y Meylemans, H. A. (2014). Green Chem 16:770-776.

9. Figueroa-González, I.; Moreno, G.; Carrillo-Reyes, J; Sánchez, A.; Quijano, G. y Buitrón, G. (2018). Biotechnology Letters, 40(3): 569-575.

10. Muñoz-Páez, K. M.; Alvarado-Michi, E. L.; Buitrón, G y Valdez- Vázquez, I. (2019). Int J Hydrogen Energy 44(4): 2289-2297.​