FUNDAMENTACIÓN
33 tropicalis ha sido utilizada en cultivo mixto con la cepa Zymomonas mobilis para el aprovechamiento de residuos agroindustriales de bajo costo en la producción de etanol. Patle y Lal (2008) utilizan este cultivo mixto para la fermentación de los residuos sólidos, producto de la elaboración de la tapioca, conocidos como thippi (complejo de almidón, pectina, fibra y proteínas). Después de un proceso de hidrólisis enzimática y a escala de un fermentador de 1 L, obtuvieron una producción de 72. 8 g/L de etanol que corresponde el 93.18 % de rendimiento teórico, usando el cultivo mixto; cuando solo utilizaron la Z. mobilis tuvieron una producción de 65.3 g/L de etanol (rendimiento 82.83 %) y al utilizar C. tropicalis fue una producción de 61.2 g/L (rendimiento 76.58 %). Ya en escala de fermentador de 10 L el rendimiento teórico para la producción de etanol fue de 78.82 %. En otro estudio, el proceso de fermentación se llevó a cabo mediante un cultivo mixto de Trichoderma harzianum, Phanerochaete chrysosporium, Mucor hiemalis, y la levadura, S. cerevisiae. El proceso se dio de la siguiente forma: donde en el primer paso fue la desintegración del material lignocelulósico de su estructura compleja por hongos lignocelulolíticos (Trichoderma harzianum y/o Phanerocheate chrysosporium). El segundo paso es la despolimerización de carbohidratos complejos (celulosa y hemicelulosa) en azúcares reductores (glucosa, fructosa, xilosa, etc.), utilizando enzimas celulolíticas producidas por hongos celulolíticos (T.
harzianum / Mucor hiemalis), y el tercer paso la fermentación de los azúcares por la levadura (S. cerevisiae) para la producción de etanol. Concluyen que con la mezcla de las cepas T.
harzianum y S. cerevisiae se obtiene el mayor rendimiento con 4% w/v o 31.6 g/L de etanol (Zahangir y Nassereldeen, 2009).
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34 De los ácidos orgánicos que se producen en los hidrolizados lignocelulósicos, el ácido acético es el más común de los hidrolizados de la hemicelulosa, mientras que los ácidos hidroxicarboxílicos como el ácido glicólico y el ácido láctico también están presentes cuando se lleva a cabo una hidrólisis alcalina. Además, el ácido fórmico se genera de la degradación de la lignina (Klinke y col., 2002). El citosol de las levaduras tienen generalmente un pH más elevado que el medio circundante, pero al existir ácidos orgánicos débiles en el medio, éstos se difunden fácilmente a través de las membranas biológicas causando una acidificación citosólica que puede inducir a la apoptosis (Ludovico y col., 2001).
Los derivados del furano, principalmente furfural y el 5-HMF, se derivan de la deshidratación de pentosas y hexosas durante la hidrólisis, éstos son considerados de los inhibidores más fuertes en los hidrolizados lignocelulósicos. Aunque el furfural es más tóxico que el 5-HMP, los dos compuestos actúan sinérgicamente para suprimir el crecimiento de la levadura (Liu y col., 2004). Por lo general, los furanos se han implicado en una amplia gama de efectos, incluyendo la inhibición del crecimiento celular y la utilización de glucosa, reducción de la actividad enzimática y en la productividad de etanol, daño en el ADN y la inhibición en la síntesis de proteínas y ARN (Liu y col., 2004).
Wahlbom y Hahn-Hägerdal (2002) informaron que durante la fermentación de xilosa, disminuyó la producción de xilitol después de la adición de furfural, posiblemente debido a que NADH se oxida a NAD+ durante su reducción a alcohol furfurílico, lo que sugiere que el furfural presente en los hidrolizados lignocelulósicos podría ser beneficioso para la fermentación de xilosa a etanol. También mencionaron que el 5-HMF, que requiere NADPH para su reducción, no afectó en la producción de xilitol.
También, los procesos fermentativos requieren de condiciones de operación que garanticen el buen desempeño de los microorganismos. A partir de esto, se ha visto que el manejo de estos microorganismos presenta ciertas dificultades, específicamente en las condiciones de medios de cultivos y del proceso de fermentación a nivel industrial. Debido al interés generado en la producción de etanol a altas concentraciones, se ha visto como este factor afecta el desempeño de los microorganismos fermentadores causando inhibición en el crecimiento microbiano y la
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35 reducción en el rendimiento producto/sustrato. En general, una concentración de etanol mayor al 6 % (p/v) tiene un efecto inhibitorio sobre todos los microorganismos.
La mayoría de las cepas toleran una concentración de 5.5 % (p/v) de etanol en el medio de cultivo (Sridhar y Rao, 2004). Otro de los factores a considerar es la temperatura, microorganismos tales como la Zymomonas mobilis crecen entre 25 y 40º C, con un crecimiento optimo a 30º C. La composición y la estructura de la membrana plasmática y la concentración de fosfolípidos se afecta cuando la bacteria alcanza una temperatura de 40º C, lo cual conlleva a una pérdida de la integridad de la membrana. Posteriormente, la elevada temperatura resulta en la acumulación de etanol dentro de la célula, lo cual tiene un significativo efecto en la viabilidad de las células (Petersson y col., 2007).
En el caso de levaduras como las especies del género Saccharomyces la velocidad de producción de alcohol incrementa de forma estable hasta los 30º C y de forma suave hasta los 36º C, pero disminuye a temperaturas superiores a los 37° C. Algunas cepas son capaces de crecer a temperaturas por encima de los 37º C y son comúnmente nombradas como termofílicas, mientras que otras tienen una temperatura máxima superior a los 45º C y son comúnmente llamadas termotolerantes (Sridhar y Rao, 2004).
También muchos microorganismos crecen en condiciones anaeróbicas y el oxígeno en exceso tiene un efecto negativo sobre la producción de etanol. En las bacterias, por ejemplo, la aireación induce la producción de subproductos incluyendo acetatos, acetaldehídos y lactatos y además, el oxígeno tiene un efecto inhibitorio sobre el consumo de sustrato y el crecimiento microbiano. A bajas concentraciones de sustrato, las velocidades de crecimiento y el rendimiento de biomasa son independientes de la presencia de oxígeno. De forma opuesta, a altas concentraciones de sustrato, decrecen los parámetros de crecimiento (Chandraraj y col., 2004).
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