Producción de etanol a partir de residuos lignocelulósicos: optimización de la hidrólisis enzimática y efecto de la aplicación de vacío en la fermentación

Abstract

"La paja de trigo (PT) y las podas de Jatropha (PJ) son residuos lignocelulósicos con alto potencial para ser utilizados en la obtención de etanol en México. Sin embargo, para aprovechar al máximo estos dos residuos, es necesario mejorar el proceso de producción de etanol. Por tal motivo, en este trabajo se realizó una optimización de las condiciones de hidrólisis enzimática de las dos biomasas (después de ser sometidas a una hidrólisis ácida) evaluando el efecto que tienen la concentración de sustrato, la concentración de enzima (Celluclast 1.5L®), el pH, el tiempo de reacción y la temperatura sobre la producción máxima de azúcares reductores y el porcentaje de líquido recuperado (%LR). Se utilizó de manera secuencial un diseño Plackett-Burman (PB), un Diseño Central Compuesto (DCC) y finalmente una cinética (optimización del tiempo). Los valores óptimos para la PT fueron: 50.34 g/L de sustrato, un pH de 4.98, 43.24°C y 24 h (1.5 mg/mL de enzima del PB); mientras que para las PJ se encontraron las siguientes condiciones óptimas: 50.44 g/L de sustrato, 5.13 de pH y 24 h (tomando 0.52 mg/mL de enzima y 40°C del PB). Al término de la optimización se alcanzaron 21.94 g/L de azúcares reductores en el caso de la PT (con 73 %LR) y 7.49 g/L para las PJ (con 55 %LR), lo que representa un 81.3 y 99.5%, respectivamente, del valor de azúcar predicho por el DCC. Así mismo, también se evaluó el efecto que tiene la aplicación de vacío (eliminación in-situ de etanol) sobre el proceso de fermentación de hidrolizados de PT y PJ en un reactor CSTR (por sus siglas en inglés continuous stirred-tank reactor), donde se observó un cambio positivo para los hidrolizados de PT, aumentando la productividad de etanol de 0.26 a 0.64 g/L*h, mientras que para las PJ no se observaron diferencias significativas. Adicionalmente, se estudió el impacto de las PJ sin la corteza en la producción de azúcares reductores, observando que no se tienen diferencias significativas, por lo que se decidió utilizar las PJ con corteza, lo cual evita la pérdida adicional de tiempo y costos ocasionados por el proceso de descortezado. "

"Wheat straw (WS) and Jatropha prunings (JP) are lignocellulosic wastes with high potential to be used in the production of ethanol in Mexico. However, in order to make the most of both residues, it is necessary to improve the ethanol production process. For this reason, the aim of this thesis was to optimize the enzymatic hydrolysis conditions of the two biomasses (after being subjected to an acid hydrolysis) by evaluating the effect of the substrate concentration, enzyme concentration (Celluclast 1.5L® ), pH, reaction time and temperature, on the maximum production of sugars and the recovered liquid percentage (% RL). A Plackett-Burman design (PB), a Central Composite Design (CCD) and finally a kinetic (time optimization) were sequentially used. The optimal values for the WS were: 50.34 g/L of substrate, a pH of 4.98, 43.24 ° C and 24 h (taking 1.5 mg/mL of enzyme of PB); while for the JP the following optimal conditions were found: 50.44 g/L of substrate, 5.13 of pH and 24 h (taking 0.52 mg/mL of enzyme and 40 ° C of PB). At the end of the optimization, 21 g/L of reducing sugars were reached in the case of WS (with 73% RL) and 7.5 g/L for JP (with 55% RL), representing 81.3 and 99.5%, respectively, of the sugar value predicted by the CCD. Likewise, the effect of the application of vacuum (in-situ removal of ethanol) on the fermentation process of WS and JP hydrolysates in a CSTR reactor was evaluated. There was, a positive change observed for WS hydrolysates increasing the ethanol productivity of 0.26 to 0.64 g/L*h, however, no significant differences were observed for JP. Additionally, the impact of using JP without bark in the production of reducing sugars was studied. As there were no significant differences, we recommend the use of JP with bark, thus saving additional time and costs produced by manual bark removal process. "