enzima celulasa (aplicación al bioetanol)
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Visión general de la química, acción y aplicación de enzimas celulasas para la mobtención de bioetanol a partir de materiales lignocelulósicosTRANSCRIPT
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.