Microorganismos productores de etanol 14 

El microorganismo más utilizado para la producción de alcohol carburante es la levadura de la especie Saccharomyces cerevisiae que convierte hexosas como la glucosa o la fructosa en alcohol etílico en condiciones anaeróbicas (metabolismo fermentativo). Esta levadura puede manifestar un metabolismo de tipo respiratorio en condiciones aeróbicas lo que se traduce en un mayor rendimiento energético que conlleva a un mayor crecimiento de biomasa celular. Esta clase de metabolismo es la base para la producción industrial de levaduras de panificación. De esta manera y en dependencia de las condiciones de cultivo, en particular si el medio nutritivo se somete o no a aireación, se puede favorecer la producción de levadura o de etanol con el mismo microorganismo. Por ello la aireación es un factor de importancia en la producción de etanol con S. cerevisiae. Aunque este microorganismo puede crecer en condiciones anaeróbicas, se requieren pequeñas cantidades de oxígeno para la síntesis de sustancias como ácidos grasos y esteroles. El oxígeno también se puede suministrar al medio adicionando algunas sustancias como el peróxido de carbamida que además reduce la presencia de bacterias contaminantes, procedimiento que ha sido patentado [22]. En el caso de cultivos continuos, la inhibición del crecimiento celular por etanol disminuye en condiciones microaerofílicas (bajas concentraciones de oxígeno disuelto en el caldo de cultivo) en comparación con condiciones completamente anaeróbicas [23]. S. cerevisiae tiene la ventaja de presentar una tolerancia al etanol relativamente alta en comparación con otras levaduras o bacterias la cual puede llegar a 150 g/L de alcohol [19]. Por debajo de concentraciones de etanol

en el caldo de 30 g/L la inhibición es despreciable [24]. La levadura Schizosaccharomyces pombe presenta la ventaja adicional de tolerar altas presiones osmóticas (alto contenido de sales en el medio de cultivo) y contenidos elevados de sólidos [25, 26]. De hecho, se ha patentado un proceso de fermentación que emplea una cepa silvestre de esta levadura [27].

Tabla 2.3. Producción mundial de alcohol etílico (en millones de litros).

País 2006 2005 1. EUA 18.376 16.139 2. Brasil 16.998 15.999 3. China 3.849 3.800 4. India 1.900 1699 5. Francia 950 908 6. Alemania 765 431 7. Rusia 647 749 8. Canadá 579 231 9. España 462 352 10. Sur África 386 390 11. Tailandia 352 299 12. Reino Unido 280 348 13. Ucrania 269 246 14. Colombia a 269 27 15. Polonia 250 220 Total 51.056 45.988 a

Estos datos corresponden al alcohol carburante producido en las nuevas destilerías cuya construcción se inició en 2005 [28]; no se incluye el alcohol potable ni el industrial, aunque su participación es mucho menor.

Modificada de [16].

Algunas bacterias tienen la capacidad de producir etanol en cantidades significativas para su potencial aplicación industrial. Entre ellas la más investigada ha sido la bacteria gram-negativa Zymomonas mobilis. Este anaerobio facultativo presenta mayores rendimientos de etanol que las levaduras lo que está relacionado con las rutas metabólicas involucradas en su obtención. Z. mobilis hace uso de la ruta de Entner–Deudoroff que convierte una molécula de glucosa en dos de etanol pero formando sólo una molécula de ATP [29], a diferencia de S. cerevisiae que emplea la ruta de Embden-Meyerhoff-Parnas (es decir, la vía glucolítica) pero formando dos moléculas de ATP [30]. Este hecho implica un menor rendimiento celular debido al menor rendimiento energético del proceso, lo que aumenta la cantidad de etanol que puede obtenerse a partir de una misma cantidad de sustrato en comparación con las levaduras. Se han reportado rendimientos de etanol de hasta el 97% del rendimiento teórico a partir de glucosa (0,511 g EtOH/g glucosa). Además esta bacteria tiene una fermentación más rápida debido a su mayor velocidad de producción de etanol (3 a 5

veces más alta que en S. cerevisiae) y de consumo de sustrato. Otra ventaja importante de este microorganismo es que presenta una tolerancia alta al etanol, lo cual es una propiedad virtualmente única entre las bacterias [29]. Esta bacteria no requiere una adición controlada de oxígeno y es mucho más susceptible a las manipulaciones genéticas para aumentar su rendimiento o conferirle nuevas propiedades que las levaduras. Sin embargo, el empleo de Z. mobilis en la producción de etanol limita el rango de sustratos fermentables (glucosa, fructosa, sacarosa) y su cultivo en jugo o melazas de caña conlleva a la formación del polisacárido levano, un polímero conformado por unidades de fructosa, y de sorbitol, un producto de la reducción de la fructosa, lo que hace disminuir los rendimientos a etanol. Además, la presencia de levano en el caldo de cultivo incrementa su viscosidad [31-33].

Uno de los principales problemas en la producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica es que S. cerevisiae y Z. mobilis sólo pueden fermentar ciertos mono y disacáridos como la glucosa, la fructosa, la maltosa y la sacarosa. Sin embargo estos microorganismos no tienen la capacidad natural de asimilar ni la celulosa o la hemicelulosa directamente. Además no asimilan tampoco las pentosas que se obtienen durante el pretratamiento de los materiales lignocelulósicos como resultado de la hidrólisis de la hemicelulosa (principalmente xilosa, aunque también arabinosa). Por esta razón se ha propuesto la utilización de microorganismos que fermenten también estas pentosas como algunas especies de levaduras. Entre las levaduras más estudiadas para la producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica que tengan esta capacidad de asimilar pentosas y hexosas se cuentan Pichia stipitis, Candida shehatae y Pachysolen tannophilus [34]. Un aspecto clave en el metabolismo de la xilosa es su conversión en xilulosa, la cual se integra a las rutas metabólicas para la síntesis de piruvato (producto final de la glucólisis). Del piruvato se deriva el etanol y es también punto de partida para el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs), el cual garantiza la obtención de energía para el crecimiento celular [30]. El cultivo de estas levaduras requiere por tanto un cuidadoso control para garantizar bajos niveles de oxígeno en el medio necesarios para el metabolismo respiratorio oxidativo. Como regla, este tipo de microorganismos prefiere la glucosa sobre la galactosa seguida de la xilosa y la arabinosa [35], lo que se explica por la represión catabólica que ejerce la glucosa sobre la velocidad de consumo de xilosa y de otras pentosas como en el caso de C. shehatae. Adicionalmente, la productividad de etanol alcanzada con levaduras asimiladoras de pentosas es menor que la de los microorganismos que sólo fermentan hexosas. De otro lado, la tolerancia de estas levaduras al etanol es reducida comparada con la de S. cerevisiae [34, 36]. La mayoría de las levaduras que asimilan pentosas son mesófilas, es decir, se cultivan a temperaturas cercanas a los 30ºC, como en el caso de S. cerevisiae, aunque existen reportes de la levadura metilotrófica Hansenula polymorpha cultivada a 37ºC en un medio que contenía xilosa [37].

Otro grupo de microorganismos que están siendo investigados para la implementación de procesos de conversión directa de biomasa lignocelulósica en etanol son los clostridios termófilos y

sacarolíticos entre los que se destacan Clostridium thermohydrosulfuricum, Thermoanaerobacter (antes llamado Clostridium) thermosaccharolyticum, C. thermocellum y C. cellulolyticum, los cuales pueden sintetizar hasta dos moles de etanol por cada mol de hexosa consumida. Además, algunas de estas bacterias pueden transformar pentosas y aminoácidos en etanol. El gran potencial de estos microorganismos radica en que pueden sintetizar sus propias enzimas celulolíticas con el fin de degradar la celulosa contenida en los materiales lignocelulósicos. Esto hace que el rango de sustancias en las que estas bacterias se pueden cultivar sea muy amplio, en especial en el caso de residuos agroindustriales [38]. De esta manera se puede obtener etanol directamente de la biomasa lignocelulósica pretratada sin necesidad de adicionar las costosas celulasas. Adicionalmente, el cultivo de estos microorganismos a elevadas temperaturas ofrece la posibilidad de una remoción más fácil del etanol y la reducción de los gastos de enfriamiento [19]. El clostridio termófilo más estudiado para la producción de etanol ha sido C. thermocellum que tiene la capacidad de producir celulasas, hidrolizar la celulosa y fermentar la glucosa formando alcohol etílico. También se ha mostrado la posibilidad de emplear T. thermosaccharolyticum para la obtención de etanol a partir de pentosas resultantes de la degradación de la hemicelulosa durante el pretratamiento de la biomasa [39]. Sin embargo, los clostridios tienen una baja tolerancia al etanol [34] en comparación con las levaduras, así como un rendimiento reducido de etanol debido a la formación de ácido acético y lactato lo que hace que las concentraciones finales de etanol sean bajas y que los tiempos de cultivos sean muy grandes (3-12 días) [38-41].