Procesos para conversión del material lignocelulósico en etanol

Existen cuatro procedimientos para la conversión de biomasa lignocelulósica en etanol, los cuales se muestran en la Figura 4. En general, los procedimientos de conversión de la biomasa lignocelulósica constan de tres pasos principales: pretratamiento, hidrólisis y fermentación. El pretratamiento es la etapa en la cual por medio de procedimientos mecánicos, fisicoquímicos o biológicos los carbohidratos se hacen más accesibles para los tratamientos de hidrólisis y fermentación posteriores. Una de las dificultades en la conversión de la lignocelulosa en etanol es su naturaleza recalcitrante, es decir su resistencia inherente a enzimas, microorganismos o químicos. Esto se debe a la misma estructura compleja de la lignocelulosa, es decir, la presencia de lignina, la organización y unión por enlaces covalentes y no covalentes de las fibras de celulosa, hemicelulosa y lignina en la matriz lignocelulósica o la estructura cristalina de la celulosa (Kumar et al., 2016). El pretratamiento ayuda a disminuir la recalcitrancia. En general, los pretratamientos deben lograr romper la estructura de la lignocelulosa para aumentar la accesibilidad de la celulosa y la hemicelulosa, preservando dichas fracciones y minimizando la formación de productos de degradación, al mismo tiempo deben ser económicos. Los métodos de pretratamiento se pueden dividir en i) físicos (molienda, pirolisis, ultrasonido, microondas);

ii) fisicoquímicos (explosión de vapor, hidrotermólisis, oxidación húmeda, tratamiento con amonio), iii) químicos (tratamientos con ácidos, con bases, con agentes oxidantes, ozonólisis, organosolv), iv) biológicos (tratamiento con microorganismos como los hongos de pudrición blanca). También se pueden emplear una combinación de estos métodos aprovechando sus diferentes beneficios (Kumar y Sharma, 2017).

En la hidrólisis o sacarificación se usan enzimas como celulasas, xilanasas, arabinofuranosidadas, mananasas, manosidasas o galactosidadas, para hidrolizar los polisacáridos (celulosa y hemicelulosa) en sus monómeros. Las enzimas son secretadas por microorganismos como Clostridium, Cellulomonas, Streptomyces, Aspergillus, Fusarium o Trichoderma y pueden usarse solas o inoculando al microorganismo. En esta etapa existen retos para desarrollar procesos económicamente viables con altos rendimientos de hidrólisis (Gupta y Verma, 2015). De acuerdo a Madadi (2017), los factores que afectan la hidrólisis enzimática pueden dividirse en los relacionados con el sustrato y los relacionados con la enzima. Entre los

12 primeros se encuentran el contenido de lignina que afecta la accesibilidad de los sustratos a la enzima, el tamaño de partícula, el área superficial accesible, el grado de cristalinidad y polimerización de la celulosa. En la segunda categoría se encuentran la actividad enzimática, su estabilidad (térmica, pH), el costo de producción y la dosis de enzima aplicada. También es importante conocer las condiciones óptimas de factores como temperatura, pH y tiempo de incubación. El alto costo de la celulosa y otras enzimas hidrolíticas son dificultades en la comercialización de la biomasa lignocelulósica para su conversión en etanol. La baja accesibilidad de las enzimas a sus sustratos, la inhibición de las enzimas por componentes generados en el pretratamiento o en la hidrólisis o fermentación (oligómeros, glucosa, etanol) o los bajos rendimientos de sacarificación obtenidos en condiciones industriales, como por ejemplo en sustratos con altos contenidos de sólidos, afectan la eficiencia de los tratamientos enzimáticos y son razones para el aumento de las dosis enzimáticas para alcanzar rendimientos de sacarificación industrialmente aceptables, y por consiguiente los costos de producción de la enzima. El control de factores tales como las condiciones de reacción, la cantidad de sustrato a las óptimas dosis enzimáticas y pretratamientos efectivos para disminuir la recalcitrancia del sustrato son recomendaciones para el aumento de los rendimientos con un funcionamiento óptimo de las enzimas. El uso de microorganismos genéticamente modificados que secreten enzimas más eficientes, materia prima genéticamente modificada con menor contenido de lignina y alto contenido de carbohidratos, así como la adopción de estrategias como la sacarificación y fermentación simultáneas son métodos que se están ensayando para el aumento de la eficiencia y disminución de los costos de las enzimas (Kumar et al., 2016; Madadi, 2017).

La fermentación es la etapa en la cual los azúcares hidrolizados son convertidos en bioetanol por medio de la fermentación alcohólica realizada por microorganismos, que pueden ser silvestres, híbridos o genéticamente modificados. En esa etapa se encuentra el obstáculo de fermentar eficientemente las hexosas y pentosas del sustrato, para lo cual se necesita de microorganismos capaces de fermentar completamente los azúcares con altos rendimientos y productividades, tolerar las altas concentraciones de etanol, el estrés osmótico y altas temperaturas, además de ser tolerantes a los inhibidores presentes en los hidrolizados (Mohd Azhar et al., 2017).

13 Los procedimientos o configuraciones mostrados en la Figura 4 para la producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica son hidrólisis y fermentación separadas (SHF), sacarificación y fermentación simultáneas (SSF), sacarificación y co-fermentación simultáneas (SSCF), y el bioprocesamiento consolidado (CBP). En el proceso de SHF la separación de los procesos de hidrólisis y fermentación permite operar las enzimas o microorganismos del proceso de sacarificación y a los microoganismos en el proceso de fermentación a sus óptimas de incubación cuando estas son distintas (Mohd Azhar et al., 2017). Sin embargo, una desventaja es que la disminución de los rendimientos de sacarificación debido productos que inhiben la actividad enzimática, como la glucosa (Olofsson, Bertilsson y Lidén, 2008). En la SSF la sacarificación y la fermentación ocurren en el mismo reactor. El proceso SSF tiene ventajas con respecto al proceso SHF: reducción de los productos de inhibición (acumulación de azúcares) de las enzimas hidrolíticas, reducción de los costos de operación debido al menor número de reactores necesitados. Desventajas de este procedimiento son: las diferencias en las temperaturas óptimas de las enzimas hidrolíticas y los microoganismos fermentadores, siendo generalmente las primeras temperaturas más altas que las del proceso fermentativo. En el proceso de SHF ambas temperaturas se pueden ajustar independientemente, pero en SSF es necesario un compromiso en el ajuste de las condiciones (Olofsson, Bertilsson y Lidén, 2008).

El uso de sustratos con altas concentraciones de sólidos en el proceso de SSF (y también en SSCF) resulta en un aumento en la viscosidad, llevando a una disminución en la transferencia de masa y calor, así como el empleo de mucha energía para el mezclado. Un alto contenido de sólidos también da una alta cantidad de inhibidores, afectando negativamente la producción de etanol (Wang, Unrean y Franzén, 2016). En el proceso SSCF se realiza la cofermetación de pentosas y hexosas (en el mismo bioreactor), pudiéndose emplear un microorganismo o varios, para lo cual se requiere que sean compatibles, como por ejemplo que puedan operar a la misma temperatura y pH (Gupta y Verma, 2015). Se suelen usar combinaciones de microoganismos fermentadores de hexosas y fermentadores de pentosas, que pueden ser silvestres o modificados genéticamente, como Escherichia coli/ S. cerevisiae (Yasuda et al., 2014) o Zymomonas mobilis/ S. cerevisiae (Zhang y Lynd, 2010). Una desventaja de este método es que los microorganismos fermentadores de pentosas también asimilan hexosas, como la glucosa, con mayor preferencia sobre las pentosas, llevando a un uso inefciente de las últimas. En el CBP la

14 producción de celulasas, la hidrólisis de la biomasa lignocelulósica y la producción de etanol ocurren en un solo reactor. Los microorganismos producen las enzimas hidrolíticas en el mismo reactor en vez de añadirse éstas exteriormente. Se pueden emplear microorganismos individuales o en consorcio, teniendo la ventaja de ahorro de costos de operación en procesos tales como la reducción del número de reactores o en la producción separada de enzimas hidrolíticas. Para este proceso existen varios microorganismos candidatos, como C.

thermocellum, F. oxysporum, Neurospora crassa o Paecilomyces sp. En este proceso se tiene la desventaja de que muchos microorganismos no presentan todas las características deseables para producir bioetanol con rendimientos rentables, además de requerir largos períodos de fermentación (Gupta y Verma, 2015).

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Figura 4. Procesos para convertir la biomasa lignocelulósica en etanol. SHF es el proceso de hidrólisis y fermentación separadas, SSF es el proceso de sacarificación y fermentación simultáneas, SSCF es el proceso de sacarificación y co-fermentación simultáneas, CBP se refiere al bioprocesamiento consolidado (en inglés, Consolidated Bioprocessing) (Modificado de Devarapalli y Atiyeh, 2015).