Este blog está asociado a las páginas web de las asignaturas de Microbiología del Grado de Biotecnología y del Grado de Ciencias Ambientales de la UMH.

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jueves, 24 de mayo de 2012

Optimización del proceso de obtención de bioetanol a partir de la paja del arroz.


Realizado por Francisco García Asencio, Daniel Carrillo Bautista, Alejandro Pardines Juan, Carla Crespo Quiles y Marina Sánchez Soler





Introducción: Estado actual del tema a presentar

En la actualidad numerosos centros de investigación están desarrollando métodos para optimizar la producción de bioetanol a partir de la paja del arroz. Esto surge a partir de la necesidad de la sustitución de los combustibles fósiles tradicionales por una fuente de combustible más sostenible.

La producción de bioetanol a partir de la paja del arroz se lleva a cabo por la fermentación alcohólica de la glucosa y la xilosa, azúcares que se obtienen a partir de la hidrólisis de lignocelulosa, presente en la pared celular de las plantas.[1]

Hasta el momento este proceso se llevaba a cabo a partir de la fermentación conjunta de los monosacáridos nombrados mediante la aplicación simultánea de diversos microorganismos. Sin embargo, al llevar a cabo el proceso salía a la luz un problema: el rendimiento a partir de la xilosa era muy bajo, esto sucede porque existe competencia de los microorganismos por el oxígeno.[2]

Hipótesis de trabajo

En este proyecto se propone una alternativa a la utilización de microorganismos genéticamente modificados que son una fuente de preocupación social.
Se utilizan los microorganismos Saccharomyces cerevisiae y Picchia Stipitis para la fermentación secuencial de glucosa y xilosa respectivamente. De esta forma solucionaríamos el problema del rendimiento. Además, la hidrólisis de la lignocelulosa se lleva a cabo simultáneamente con la fermentación para reducir el tiempo del proceso, hecho que produce un abaratamiento de los costes.
 Previamente a la inoculación1 de Picchia Stipitis se han de inactivar las células2 de S. cerevisiae para evitar competitividad entre ambos, aumentando así la eficiencia de la obtención de etanol a partir de xilosa y evitando además la acumulación de xilitol como producto no deseado.

Diseño experimental y resultados

La paja de arroz fue previamente tratada para crear un medio de cultivo adecuado para los microorganismos utilizados, P.stipitis y S.cerevisae. Como hemos mencionado anteriormente, es necesario inactivar S.cerevisae para obtener una mejor producción de etanol a partir de la fermentación de la xilosa por P.stipitis. A continuación, exponemos los cuatro experimentos que se desarrollaron con el fin de observar los efectos de la inactivación de S.Cerevisiae:
En el experimento número 1, inactivamos S.cerevisiae manteniéndola a 50ºC durante 6 horas y posteriormente inoculamos P.stipitis.
En el experimento 2, inoculamos P.stipitis al mismo tiempo que en el experimento anterior pero sin la previa inactivación de S.cerevisiae.
En el experimento 3, solo se inoculó S.cerevisiae sin ser inactivada, y posteriormente se añadió agua destilada que sustituiría a P.stipitis.
Por último, en el experimento 4, se realiza la inactivación de S.cerevisiae en las mismas condiciones que en el experimento 1, a 50ºC durante 6 horas, sustituyendo la inoculación de P.stipitis por agua destilada


Gráficas concentración/tiempo de glucosa, xilosa, etanol y xilitol en los 4 distintos experimentos:
Experimento 1: se observa en la gráfica que la concentración de xilosa desciende más rápidamente que en el resto de experimentos, debido a que S. cerevisiae ha sido inactivada, por lo que no establecerá competencia con P. stipitis, pudiendo ésta así sintetizar etanol de un modo más eficiente (obtenemos mayor concentración de etanol), disminuyendo la concentración de xilosa más rápidamente.
Experimento 2: se observa que la concentración de xilitol es mayor que en el resto de experimentos, debido principalmente a que la enzima que degrada este compuesto, la xilitol deshidrogenasa, funciona con oxígeno. Por consiguiente, la acción de esta enzima será menor, al tener menos oxígeno, ya que S. cerevisiae no ha sido inactivada.
Experimento 3: al no inocular P. stipitis, se observa como casi no disminuye la concentración de xilosa.
Experimento 4: se observa que la  concentración de glucosa y xilosa aumentan en el tiempo, ya que no hay nadie que las degrade. Sin embargo, cuando se ha inactivado S. cerevisiae, no hemos eliminado toda la población, una pequeña fracción sobrevive, por lo que pasado un tiempo esta población provocará la disminución en la concentración de glucosa. Contrariamente, la concentración de xilitol será muy baja, ya que no habrá ningún microorganismo que degrade la xilosa.


Fermentación de la glucosa y de la xilosa mediante S.cerevisiae y P. stipitis


En vista de los resultados anteriores se decidió llevar la investigación por el camino del primer experimento, repitiendo éste, pero en un fermentador de mayor tamaño.
Se utilizó un  medio sintético (compuesto por 50,4 g/l de glucosa, y 20,7 g/l de xilosa) para comprobar el efecto de inactivación de S. cerevisiae en la fermentación de la xilosa mediante P.stipitis. En primer lugar, se inoculó S.cerevisae en condiciones anaeróbicas a 30ºC durante 8 horas para que se produzca la fermentación de la glucosa. A continuación, se somete a las células a 50ºC durante 6 horas con el fin de inactivarlas. Una vez inactivadas se enfría el medio hasta 30ºC y se inocula la P.stipitis. Por último, se produjo la fermentación de la xilosa realizada por P.stipitis a 30ºC. Periódicamente se tomaron muestras para analizar la concentración de levaduras, azúcares, etanol y otros compuestos (como se muestra en la fig. 2).
Conclusión

Por la inactivación de las células S. cerevisiae antes de la inoculación del P. stipitis, se produjo un 23.0% más de etanol así como un 42.4% menos de xilitol. Al mismo tiempo, casi toda la xilosa (95.8%) fue fermentada. Por lo tanto los resultados de esta investigación indicaron que simplemente inactivando S. cerevisiae, la fermentación de la xilosa podría mejorarse considerablemente y el tiempo de fermentación podría reducirse también notablemente. Tras la inactivación de las células de S.cerevisiae se obtuvo un incremento en la producción de etanol, alcanzando 31 g/L de etanol en 36 horas (resultado que iguala en un 84% las producciones teóricas).


1: Inocular: Introducción de las células en el medio.
2: Inactivar las células: reducir su número hasta que su presencia  sea insignificante 


3 comentarios:

  1. Bastante bien resumido.

    Un par de recomendaciones. En lugar de poner el enlace al artículo original sin más, lo habría puesto integrado en la referencia bibliográfica de esta forma:

    Li et al. Bioethanol production from rice straw by a sequential use of Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis with heat inactivation of Saccharomyces cerevisiae cells prior to xylose fermentation. Journal of Bioscience and Bioengineering, (2011), Vol 111, p: 682-686

    La segunda, es que habría quedado bastante bien una imagen como la que usásteis en la exposición en la que se muestre el problema de la degradación de la lignocelulosa.

    Saludos

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  2. Una cosa que se me olvidaba.

    Corregid los fallos de formato, ya que muchas palabras han quedado pegadas entre sí, sobre todo los nombres de las especies.

    Esos detalles, si no se cuidan, hacen desmerecer el trabajo.

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  3. He encontrado otro error

    Inactivar las células: reducir su número hasta que su presencia sea insignificante

    En al artículo definene inactivación de la levadura como un tratamiento térmico de las células de S. cerevisiae (de 11 a 24 h a 50ºC). Pasado ese tiempo, las levaduras no funcionan pero tampoco han muerto pues comprueban que el cultivo va recuperando actividad con el tiempo. No hablan para nada de "reducción de número"

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