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Producción de Biocombustibles y Químicos de Origen Renovable
Dra. Ana Alejandra Vargas TahDivisión de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería Química,
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
IV REUNIÓN NACIONAL DE LA RED TEMÁTICA DE BIOENERGÍA
XIII REUNIÓN NACIONAL DE LA RED MEXICANA DE BIOENERGÍA
Noviembre 13-15, 2017, Cuernavaca, Morelos, Mexico
Renewable Energy Sources
• Biomasa
– Bio-combustibles líquidos
(Sector transporte).
– Plásticos Biodegradables
– Químicos Renovables.
Biorefinería
Sustentabilidad
Químicos
• Plásticos
• Polímeros
• Solventes
• Fenólicos
• Resinas (furfural)
• Ac. grasos
• Ac. orgánicos
• Pigmentos
• Detergentes
Combustibles
• Etanol
• Butanol
• Propanol
• Metano
• Bio-Diesel
• Bio-Gasolina
•Isopentenol
• Bio-Queroseno
• Bio-Electricidad
Combustibles y Químicos
Renovables
http://refuelingthefuture.yolasite.com/biofuels-and-bioenergy.php
Biofuels
Stöcker M., (2008) Angew. Chem. Int. Ed., 47, 9200 – 9211
¿Cómo se recuperan los azúcares
de la Biomasa?
Sugar Cane
Bagasse
Agave
Bagasse Corn Stover
Grass
Sorghum
Straw
Principales constituyentes:➢ Lignina.
➢ Hemicelulosa.
➢ Celulosa.
Hemicelulosa
(xilanos)
Celulosa
(glucanos)
Materiales
Lignocelulósicos
• Pentosas– Xilosa
– Arabinosa
• Hexosas– Glucosa
– Manosa
– Galactosa
• Azúcares Acetiladas
• Ác. glucuronico
• Ac. ferulico
• Ac p -cumárico
• Glucosa
Ratanakhanokchai et al. 2013, DOI: 10.5772/51820
Figura: http://genomicscience.energy.gov/centers/BRCs2014LR.pdf
• Químicos
• Organosolv• Organosolv pre-treatment removes extensive lignin and nearly
complete hemicelluloses, with resulting increase of accessiblesurface area and pore volume.
• Alkaline• The intermolecular ester bonds cross-linking xylan hemicellulose
and lignin are saponified, thus resulting in delignification ofbiomass.
• Dilute Acid• In dilute acid pretreatment, hemicellulose is hydrolyzed to
monosaccharides and the sugars can be further degraded to formother products. Increase the cellulose accessibility
Pretratamiento Termoquímico
Hidrólisis Termoquímica (HT)
Químicos
AFEX (Ammonia Fiber Expansion)
Organosolv
Alcalino
Líquidos Iónicos
Ácido Diluído
Zhao et al., 2012, Mamman et al., 2008, Hu and Ragauskas, 2012, Zhao et al., 2009.
La HT modifica las propiedades físicas y
químicas de los materiales, hidrolizando
la hemicelulosa y dejando la celulosa
accesible a las enzimas hidrolíticas.
Ácido Diluído
✓ Hidroliza los componentes de la
hemicelulosa e incrementa la
digestibilidad de la celulosa.
× Formación de furanos y ácidos
orgánicos que retardan ó inhiben el
crecimiento celular.
La temperatura, el tiempo y la
concentración de ácido son tres de las
variables que afectan directamente la
hidrólisis de los materiales lignocelulósicos.
Hidrólisis Termoquímica
Formación de furanos
Palmqvist et al., 2000; Li et al., 2009; Mamman et al., 2008; Martínez et al., 2000 y 2001, Zaldivar et al., 1999
Los furanos generados en
el pretratamiento, inhiben
el crecimiento celular y/ó
reducen su capacidad
fermentativa.
En sistemas fermentativos
la concentración máxima
de furanos debe ser
inferior a 2 g/L.
La hemicelulosa remanente del
pretratamiento y la celulosa
expuesta son degradadas por
celulasas y xilanasas para
recuperar los azúcares
presentes en los materiales pre
tratados.
Ratanakhanokchai et al. 2013, DOI: 10.5772/51820
Hidrólisis Enzimática
(Sacarificación)
Hemicelulosa
Celulosa
Se recuperan la xilosa y arabinosa
principalmente, ácido acético y
furanos, dejando expuesta la
celulosa.
Se recuperan las pentosas de la
hemicelulosa no hidrolizada en el
pretratamiento y la glucosa presente
en la celulosa.
HIDROLIZADOS RICOS EN AZÚCARES
FERMENTABLES
Hidrolizados ricos en azúcares fermentables
con bajo contenido de furanos
Lignocellulosic characterization
Pre Treatment
Thermochemical Hydrolysis
Characterization
Saccharification(Enzymatic hydrolysis)
Syrup(Rich in C5)
Solid(Rich in cellulose and lignin)
Characterization
Syrup(Rich in C6)
Solid residues
Rich in lignin
Sequential Thermochemycal and Enzymatic Hydrolysis
Lignocellulosic characterization
Pre Treatment
Thermochemical Hydrolysis
Characterization
Saccharification(Enzymatic hydrolysis)
Syrup(Rich in C5)
Solid(Rich in cellulose and lignin)
Characterization
Solid residues
Rich in lignin
Sequential Thermochemycal and Enzymatic Hydrolysis
Syrup(Rich in C5 and C6)
Procesamiento integral del
material lignocelulósico
Hidrólisis, Sacarificación y Fermentación
Secuencial
Pretratamiento
Sacarificación
Fermentación
EtanolÁcido Láctico
Inóculo
• Hidrolizado
• Rico en azúcares
fermentables.
• Bajo contenido de
furanos.
• Mínima ó nula adición
de compuestos de
medio de cultivo.
• Mínimo número de
operaciones unitarias
posibles.
Caracterización del Material
Lignocelulósico
Rastrojo de Maíz
Composición del rastrojo de maíz
Glucanos
(%)
Xilanos
(%)
Arabinanos
(%)
Lignina
(%)
Cenizas
(%) Referencia
36.8 21.5 17.5 9.3 Lin et al., 2010
35.2 19.8 16.9 2.4 Kadam et al., 2008
37.7 18.8 17.6 Qing et al, 2010
36.9 20 3.07 13.76 Klas 5.67 Jian et al., 2009
36.4 18 3 16.6
Olofsson et al.,
2008
40.8 20.6 21.3 Liu et al., 2009
18.3 6.6 Zhu et al., 2009
36.8 22.2 5.5 23.1 Galbe et al., 2007
% Sin tratar
Glucanos 29.9 (1.2)
Xilanos 19.6 (0.8)
Arabinanos 3.4 (0.2)
Grupo acetilo 4.9 (0.4)
Lignina 21.7 (0.6)
Extractivos 6.8 (0.2)
Cenizas 10.9 (0.7)
Otros 2.8 (2.05)
Rastrojo de Maíz Blanco
(Bajío, cosecha 2012)
El material empleado en todos los
experimentos fue recolectado del campo,
sin proceso de lavado ó limpieza.
Rastrojo de Maíz empleado tiene 15%
menos glucanos que el promedio de los
reportados. La producción máxima teórica de
azúcares para una carga de 15%
WRM/W Reacción de rastrojo de maíz
es:
➢ 33.22 g/L de Xilosa
➢ 49.95 g/L de Glucosa
Hidrólisis TermoquímicaPre-tratamiento.
La concentración de xilosa
disminuye rápidamente al
aumentar la temperatura,
mientras que el Fur se incrementa,
indicando que la xilosa se está
degradando.
Bajo estas condiciones de reacción,
la mayor concentración de xilosa
se presentó a 130 °C . A la misma
temperatura se observó la menor
concentración de Fur e HMF.
15% w/w, 2 % H2SO4
0
10
20
30
40
0
5
10
15
Xy
lose (
g/L
) FU
R (g
/L)
120 130 140 150 160 1700
10
20
30
0
1
2
3
4
5
Glu
co
se (
g/L
) HM
F (g
/L)
CS
F
Temperature (°C)
Efecto de la Temperatura
0 2 4 6 8 10 12 140
10
20
30
40
600.0
0.5
1.0
1.5
Xylo
se
(g
/L)
F (g
/L)
CS
F
Time (min)
Efecto del Tiempo de Hidrólisis
Xilosa
95 % de la xilosa fue recuperada
con 8 min de tiempo de hidrólisis a
130 °C, con una producción de
furfural cercana a los 0.3 g/L
15% w/w, 2% H2SO4, 130 °C
Tiempo
(min)
Xilosa Recuperada
(%)
0 80.2
4-12 95
60 100
El contenido de furfural
se incrementó con el
tiempo de hidrólisis y el
factor de severidad
Combined Severity Factor
CSF = log10(R0) – pH
R0 = tr * exp [(Tr - 100) / 14.75]
0 2 4 6 8 10 12 140
2
4
6
8
10
600.0
0.5
1.0
1.5
Glu
co
se
(g
/L) H
MF
(g/L
)C
SF
Time (min)
Efecto del Tiempo de HidrólisisGlucosa
• La liberación de glucosa incrementa
ligeramente con el tiempo de
hidrólisis.
• El Hidroximetil furfural incrementó
ligeramente con 60 min de hidrólisis
a diferencia del furfural.
15% w/w, 2% H2SO4, 130 °C
Tiempo
(min)
Glucosa recuperada
(%)
0 6.7
4-12 13
60 18.4
8 min de tiempo de mantenimiento es
suficiente para hidrolizar el 95 % de
los xilanos presentes en el rastrojo de
maíz, con una concentración de 0.6
g/L de furanos totales.
0
10
20
30
40
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Xylo
se
(g
/L)
F (g
/L)
0 1 2 3 40
2
4
6
8
10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Glu
co
se
(g
/L) H
MF
(g/L
)
CS
F
H2SO4 (%, w/w)
Efecto de la Concentración de H2SO4
Con 2% de ácido se hidrolizó el 93
% de los xilanos con 0.44 g/L de
furanos totales.
• La mayor liberación de xilosa fue entre
el 0.5 y 2 % de ácido, en forma lineal.
• F e HMF se incrementaron linealmente
con la concentración de ácido, hasta 1
g/L de furanos totales. La formación de
furanos está directamente relacionada
con el CSF.
15 % w/w, 130 °C, 8 min
Caracterización de los materiales después de la
Hidrólisis Termoquímica
Sin tratar HT
%1%
H2SO4
2%
H2SO4
Glucanos 29.9 (1.2) 45.1 (0.7) 51.5 (0.1)
Xilanos 19.6 (0.8) 13.0 (0.9) 9.3 (0.3)
Arabinanos 3.4 (0.2) 0.8 (0.1) 0.6 (0.2)
Grupo acetilo 4.9 (0.4) 1.7 (0.1) 0
Lignina 21.7 (0.6) 26.9 (1.3) 31.2 (0.6)
Extractivos 6.8 (0.2) ND ND
Cenizas 10.9 (0.7) ND ND
Otros 2.8 (2.05) 12.5 (2.8) 7.4 (1.2)
Después de la HT
• Glucanos
• Xilanos, arabinanos y grupo acetilo
• Lignina aumentó ligeramente
La HT removió la hemicelulosa,
dejando la celulosa expuesta
para la Hidrólisis Enzimática (HE)
Antes Después
Hidrólisis EnzimáticaSacarificación
Hidrólisis Enzimática 15 UPF/gGlucano 50 °C y 150 rpm
0 6 12 18 240
10
20
30
40
2.5 %
3.0%
0 %
0.5 %
1.0 %
2.0 %
Time (h)
Xy
lose (
g/L
)
HE - 12 h
• Menos del 50% de los xilanos fueron recuperados de los materiales tratados con 0 y 0.5 % H2SO4 (12 h) , Indicando una deficiente HT.
• El material tratado con 1 % de ácido liberó el 95.2 % de la xilosa (24 h).
Hidrólisis Enzimática 15 UPF/gGlucano 50 °C y 150 rpm
• El 52.2 % de glucosa puede serrecuperada con el complejo enzimático,cuando el material fue tratado sólo conagua. Indicando que el ácido favorece laremoción de la hemicelulosa.
• Se favoreció la accesibilidad de lasenzimas a la celulosa en los materialestratados con 1-3 % H2SO4 .
0 6 12 18 240
10
20
30
40
2.5 %
3.0 %
0.0 %
0.5 %
1.0 %2.0 %
Time (h)
Glu
co
se (
g/L
)
Material tratado con
(% H2SO4)
Glucosa Liberada (%) –
24 h
0 52.2
0.5 70.4
1 - 3 92.6
• 93.3 % de la xilosa y 92.6 % de la glucosadisponibles fueron recuperadas de losmateriales tratados con 1 y 2 % H2SO4
después de la HE .
• Resultados con 15 UPF/gRM indican que conmayor cantidad de enzima se pueden liberara las 24 h el 95 % de la glucosa.
Material tratado con
(% H2SO4)
Furanos totales
(g/L)
Ác acético
(g/L)
1 0.03 5.14
2 0.26 5.91
Caracterización de los materiales después de la
sacarificación15 FPU/gglucano
1% 2%
Glucanos 39.4 (0.8) 41.2 (1.5)
Xilanos 16.6 (0.7) 10.7 (0.3)
Arabinanos 0.5 (0.1) 0.3 (0.1)
Grupo acetilo 2.3 (0.2) 0
Lignina 31.8 (0.5) 39.5 (2.4)
Extractivos ND ND
Cenizas ND ND
Otros 9.5 (0.2) 8.3 (0.7)
1 % H2SO4 2 % H2SO4
Concentraciones de ácido entre 1 y 3 % favorecieron la accesibilidad de las enzimas a la celulosa.
Producción de etanol
E. coli MS04
Productora de Etanol
1) Utrilla et al., 2009
2) Utrilla et al., 2012
3) Fernández-Sandoval et al., 2012.
PHOSPHOENOLPYRUVATE
PYRUVATE
G3P
FRUCTOSE-6P
XYLOSE
XYLULOSE-5P
XYLULOSE
xylB
ETHANOL
FORMATE
ldhA
E
T
H
A
N
O
L
GLUCOSE
PEP PYRUVATE
GLUCOSE-6P
FRUCTOSE-1,6 BP
DIHYDROXYA-
CETONE-P NAD+
NADH+H
1,3-DIPHOSPHOGLYCERATE
3-PHOSPHOGLYCERATE
pflB
ACETYL-CoA ACETALDEHYDE
adhE
NADH+H NAD+
ACETYL-P ACETATE
ackA
FUMARATE SUCCINATE
frdABCD
PP
PATHWAY
X
X
xylA
ATP
ADP
ATP
ADP
ATP ADP
xylEPTS
XYLOSE
xylFGH
ADP
ATP
NADH+H NAD+
X
NADH+H NAD+
adhEX
NADH+H NAD+pta
ADP ATP
ADP
ATP
X
poxB
X
METHYLGLYOXAL
mgsA
L- LACTATE
gatC S184LXYLOSE
D-LACTATE
ACETALDEHYDE
CO2
pdc
NADH+H
NAD+
adhB
MG1655, ΔpflB, ΔadhE, ΔfrdA, ΔxylFGH,
gatC S184L, ΔmidarpA, Δreg 27.3 kb,
ΔldhA, PpflB::pdcZm, adhBZm
Strain Genotype Re
f
MG1655 Wild type (WT)
CL3 MG1655: ΔpflB, ΔadhE, ΔfrdA 1
JU01 CL3: ΔxylFGH 2
JU15 JU01 Adaptive Evolution:
gatC S184L, ΔmidarpA, Δreg 27.3
kb
2
MS01 JU15 ΔldhA 3
MS04 MS01 PpflB::pdcZm, adhBZm 3
0
20
40
60
80
100
0
10
20
30
Ac
eta
te (g
/L)
Eth
an
ol (g
/L)
To
tal S
ug
ar
(g/L
)
1% H2SO4Glucose (g/L)
Xylose (g/L)
Arabinose (g/L)
0 12 24 36 480
20
40
60
80
100
0
10
20
30
Ac
eta
te (g
/L)
Eth
an
ol (g
/L)
To
tal S
ug
ar
(g/L
)
2% H2SO4
Glucose (g/L)
Xylose (g/L)
Arabinose (g/L)
Time (h)
Producción de Etanol
Hidrolizados de Rastrojo de Maíz
1% H2SO4 2% H2SO4
QTS 12h (gTS/L h) 4.17 (0.29) 3.71 (0.18)
YEtOH 24h (gEtOH/gTS) 75.54 (0.77) 73.97 (0.50)
QEtOH 24h (gEtOH/L h) 0.99 (0.028) 0.96 (0.014)
Etanol Concentration
24h (gEtOH/L) 24.5(0.24) 23.53 (0.26)
QTS – Velocidad volumétrica de consumo de azúcares
Y ETOH – Rendimiento de EtOH por gramo de azúcares totales.
• La concentración de furanos no afectó
el consumo de azúcares.
• Los “lodos” contenían los nutrientes
necesarios para mantener activo el
metabolismo de las células.
• Los sólidos no dañaron las células.
• La concentración de acetato no
inhibió el metabolismo de la cepa.
Vargas-Tah et al., Bioresource Technology, 2015
Producción de Lactato
E. coli AV03
productora de Ácido LácticoMG1655, ΔpflB, ΔadhE, ΔfrdA,
ΔxylFGH, gatC S184L, ΔmidarpA, Δreg
27.3 kb, ΔpoxB, ΔmgsA, ΔackA-pta
Strain Genotype Ref
MG1655 Wild type (WT)
CL3 MG1655: ΔpflB, ΔadhE, ΔfrdA 1
JU01 CL3: ΔxylFGH 2
JU15 JU01 Adaptive Evolution:
gatC S184L, ΔmidarpA, Δreg 27.3 kb
2
AV03 JU15: ΔpoxB, ΔmgsA, ΔackA-pta This Work
1) Utrilla et al., 2009
2) Utrilla et al., 2012
3) Utrilla et al., 2016
La cepa JU15 fue modificada
genéticamente, eliminando las
vías fermentativas de
producción de acetato.
Metabolic Engineering of E. coli for
Lactic Acid Production
Martínez et al., 2017
Hidrólisis Termoquímica, Enzimática y Fermentación
Secuencial
Metodología
15 % w/w (RM), 2 %
H2SO4, 130 °C, 8 min
• pH ~4.8 con KOH
• Citrato de Na (50 mM)
• 15 UPF / gglucano (NS22086)
• Kanamicina (30 mg/mL)• 50 °C, 150 rpm, 24 h
HT HE / Sacarificación
Inoculo
(AV03)• Xilosa 20 g/L
• Acetato Na (4 g/L)
• pH 7.0
• 37 °C
• 480 rpm
• 0.1 vvm
Hidrólisis Termoquímica, Enzimática y Fermentación
Secuencial
Metodología
HE / Sacarificación
Inóculo
(AV03)
Fermentación • pH 7.0 (KOH)
• (NH4)2HPO4 (0.66 g/L)
• NH4H2PO4 (0.22 g/L)
• Citrato de Na (0.1 g/L)
• Betaína (1 mM)
• AV03 (10 DO)
• pH 7.0
• 37 °C
• 100 rpm
0
10
20
30
40
50
0
1
2
3
4
5
Glu
co
se
(g
/L)
Xylo
se
(g
/L)
Ara
bin
os
e (g
/L)
Ac
eta
te (g
/L)
0 12 24 36 48 60 72 84 960
20
40
60
80
0
20
40
60
80
La
cta
te (g
/L)T
ota
l S
ug
ar
(g/L
)
Tiempo (hr)
Producción de Ácido Láctico
AV03
QS
(gTS/L* h)
qS
(gTS / gDWC *h)
QP
(gLc /L* h)
AV033.358
(10h)
0.908
(10h)
2.243
(24h)
• Fermentación eficiente de
azúcares en el hidrolizado
hemicelulósico.
• La concentración de acetato se
mantuvo constante.
Utrilla et al., Bioresource Tech. 2017
Yaca
Composición
(%)
Cascara Fibra Pétalos
Glucanos 8.78 45.28 49.23
Xilanos 2.61 8.35 9.21
Cenizas 5.75 8.00 6.49
Lignina 31.33 26.42 8.38
Ing. Emmanuel Aguilar
UMSNH
Sorgo
Ing. Francisco Javier Rodríguez
UMSNH