enzima celulasa (aplicación al bioetanol)

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

INGENIERÍA QUÍMICABIOQUÍMICA

ENZIMA CELULASA

Barba MiguelFlores David

Herrera PamelaMaldonado Vanessa

1. INTRODUCCIÓNLa aplicación de las enzimas en los procesos industriales ha sido investigada ampliamente desde los años 50 y hoy en día muchas de las reacciones que usan catálisis biológicas tienen aplicación comercial.Actualmente, la mayor parte del mercado (65% de las ventas) corresponde a las preparaciones enzimáticas para aplicaciones industriales (detergentes, textiles, cuero, pulpas, papel y cuidado personal), seguido por las enzimas para el sector alimenticio con un 25% (fabricación de cerveza, vino y jugo, grasas y aceites, industrias de panificación) y las enzimas para productos de alimentación con un 10%. En el 2012, la última estimación del mercado global para la utilización de enzimas en la industria creció un 7%.

1%8%

13%

16%

28%

34%

Household care enzymes

Bioenergy enzymes

Microorganisms

Food and beverage enzymes

Feed and other technical enzymes

Biopharma

Figura 1. Ventas anuales de enzimas a nivel mundial

El punto de inicio del mercado de celulasas específicas correspondió a la comercialización por la compañía NOVO en 1985. Las celulasas, que son un grupo de enzimas que incluyen endoglucanasas que hidrolizan el polímero de celulosa y B-glucosidasas que rompen las unidades de celobiosa para liberar glucosa, se han convertido en el tercer grupo más grande de producción enzimática desde el inicio del siglo XXI.

• En la remoción de impurezas y modificación de propiedades físicas de las fibras, tratamiento controlado de las fibras de celulosa, creación de suavidad en las fibras, generación de un aspecto descolorido de vestidos, y procesos de acabado textil.

Industria textil

• En la formulación de detergentes que ha emergido debido a su capacidad para modificar la superficie celulósica del hilo de las prendasLavandería

• Donde actúan como reforzadores de los blanqueadores aplicados en estos procesos y reducen el tiempo de refinación.

Pulpa y papel

• Crean un complejo de óptima maceración en la producción de estos productos, además de mejorar su estabilidad, rendimiento de la hidrólisis, y filtrabilidad.

Cervecería y vino

• Siendo útiles en los pasos de extracción y clarificación para los jugos, néctares y purés de frutas y vegetales, mejoramiento de la calidad de cereales, aceite de oliva y una gama universal de alimentos.

Industria de

alimentos

Tradicionalmente las celulasas se han usado en:

Actualmente, el desarrollo de biocombustibles derivados de materiales celulósicos está en espera de liderar la demanda

industrial de celulasas.

La producción de bioetanol de biomasa lignocelulósica está emergiendo como una de las más importantes tecnologías

para una producción sustentable de combustibles

renovables para el transporte.

El etanol tiene un octano superior que la gasolina y

produce menos emisiones, por lo cual se considera el perfecto

sustituto de la gasolina.

Debido a estas ventajas, actualmente existe un gran

interés en la comercialización de estas tecnologías.

La producción de bioetanol de biomasa lignocelulósica

incluye un pretratamiento, hidrólisis y recuperación de

etanol.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO2.1. Celulasas industriales

De todos los filamentos fungi investigados para la producción de celulosa, le mejora con éxito de cepas se ha posicionado con el género Trichoderma para la producción de degradantes de celulosas o enzimas modificadoras.

Inicialmente, las celulosas industriales se obtenían de cepas de hongos aeróbicos de Tricoderma reesei, Tricoderma viride o Tricoderma lon gibrachiatum, pero el potencial de la cepa Tricoderma. reesei QM6a emergió rápidamente debido a su superior efectividad.

Esta cepa, descubierta en 1960, tiene la capacidad de producir glucósidos hidrolasas que permiten una completa y eficiente sacarificación de los polímeros de glucano naturales.

En condiciones naturales el Tricoderma reseei secreta celulasas para convertir la celulosa en glucosa que se usa como energía y fuente de carbón.

2.2. APLICACIONES DE LAS CELULASAS DE TRICODERMA EN LA

PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

Algunas plantas piloto se encuentran actualmente en funcionamiento.

La más importante está conducida por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en USA con una producción de 120 000 L de bioetanol por año.

Desde el 2003, la Corporación Logen en Canadá opera un prototipo con una capacidad de producción de 320 000 l por año usando paja de trigo como biomasa.

En Europa, específicamente en Alemania, España, Dinamarca, Finlandia e Italia, cinco proyectos tienen una demanda de más de 100 toneladas de bioetanol por año.

Más proyectos están siendo desarrollados para operar próximamente.

2. OBTENCIÓN INDUSTRIAL DE LA

CELULASA

2.1 Panorama del mercado

2.2 CELULASAS INDUSTRIALES

Trichoderma reesei

Tricoderma viride

Trichoderma longibrachiatum

2.3 OBTENCIÓN DE ENZIMAS CELULASAS POR FERMENTACIÓN SÓLIDA

Preparación de la semilla de las cepas de hongos.

Selección Lavado Esterilizac

ión(400g)

AgitaciónCortado Incubación

121 °C

22-24 °C

Agua

Obtención de enzimas celulasas por fermentación sólida

Trituración Esterilizac

ión (12g)

Mezclado Incubación

121 °C

22-24 °C

semilla

Residuo banano

Extracción de enzimas

Agitación Prensado

Centrifugación

30 ml citrato

EXTRACTO ENZIMÁTICO

Determinación de la actividad enzimática

La actividad

enzimática se reporta

en UI

2.4 LIMITACIONES DE LA PRODUCCIÓN INDUSTRIAL

BAJA PRODUCCIÓN

PRESENCIA DE AZÚCARES CRECIMEINTO CELULAR

COSTOS DE PRODUCCIÓN

3. REACCIONES Y MECANISMOS

CELULASAS HIDROLIZAR

COMPLEJO ENZIMAS

CELULOTICAS

Endoglucanasas

Exoglucanasas

Celobiohidrolasas

-Glucosidasas

3.1. Generalidades

3. REACCIONES Y MECANISMOS

CELOBIOHIDROLASA

ENDOGLUCANASAEXOGLUCANASA

ß-GLUCOSIDASA

3.2. Mecanismo de acción

3. REACCIONES Y MECANISMOS3.3 SINERGÍA

3. REACCIONES Y MECANISMOS3.4. Módulos de unión a carbohidratos (CBM)

3. REACCIONES Y MECANISMOS3.4. Módulos de unión a carbohidratos (CBM)

3. REACCIONES Y MECANISMOS3.5. Modelos del mecanismo de reacción

Retención

Inversión

3. REACCIONES Y MECANISMOS3.6. Cinética

4. APLICACIÓN DE LA TRICHODERMA CELULASAS EN LA INDUSTRIA DEL BIOETANOL

4. 1 INTRODUCCIÓN La conversión de lignocelulosa Costo de etanol Prohibitivos gastos de inversión

en materia prima vegetal

Las aplicaciones se han encontrado en la industria textil, alimentos, detergentes, las industrias de pulpa y papel.

Preparación del sustrato

Pretratamiento Hidrolisis

FermentaciónDestilaciónRecuperaci

ón

Etanol

4.2 PROCESOFísicosQuímicosFísico-químicos Biológicos

Ácida Enzimática

4.2.1 PRETRATAMIENTO BIOLÓGICO

Disociar por completo la lignina –polisacáridosCelulosa reduzca grado de cristalinidad

Ventajas

No se requieren instalaciones ni equipos costosos

Bajo requerimiento energético

Condiciones ambientales positivas

4.2.2 HIDROLISIS ENZIMÁTICA

4.3 COSTOS Producción in situ Compra de enzimas externas como consumibles. A pesar de un precio relativamente barato , la

lactosa es uno de los principales factores de costo en la producción de celulasas .

Otro procedimiento posible opción con la producción in situ de las enzimas es el uso de todo el caldo de fermentación de T. reesei para cortar aguas abajo los costos de procesamiento .

El DOE EE.UU. ( Departamento de EE.UU. de Energía ) estimó que el costo de la enzima debe estar por debajo $ 0.12 por galón de etanol para producir etanol lignocelulósico competitivo.