ES2557317T3 - Procedimiento de producción integrada de etanol y savia de algas marinas a partir de Kappaphycus alvarezii - Google Patents
Procedimiento de producción integrada de etanol y savia de algas marinas a partir de Kappaphycus alvarezii Download PDFInfo
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Abstract
Un procedimiento de producción integrada de etanol y savia de algas marinas a partir de Kappaphycus alvarezii que comprende las etapas de: (a) sacarificación que consiste en la hidrólisis de gránulos ricos en carragenano lavados, obtenidos después de la extracción de savia de Kappaphycus alvarezii, usando ácido sulfúrico diluido en el intervalo del 0,5-5 %, seguido de calentamiento de la solución en el intervalo de 80-200 ºC durante un periodo en el intervalo de 30- 90 minutos para obtener un hidrolizado rico en azúcares reductores; (b) recuperación del hidrolizado que se obtiene en la etapa (a) por filtración o centrifugación en el intervalo de 5000-7000 rpm durante 15 minutos para obtener un hidrolizado; (c) incremento de la concentración de azúcar en el hidrolizado que se obtiene en la etapa (b) mediante la adición de gránulos frescos de Kappaphycus alvarezii a la solución filtrada seguido por la repetición de las etapas (a) y (b) hasta que se obtiene una concentración de azúcar en el intervalo del 2 al 10 %; (d) ajuste del pH del hidrolizado que se obtiene en la etapa (c) en el intervalo de 4,5 a 8,0 usando hidróxido de calcio para generar una sal insoluble de CaSO4; (e) separación de las sales insolubles que se obtienen en la etapa (d) por filtración o centrifugación en el intervalo de 5000-7000 rpm para obtener un hidrolizado; (f) desalación del hidrolizado que se obtiene en la etapa (e), para eliminar las sales solubles mediante electrodiálisis; (g) enriquecimiento del hidrolizado que se obtiene en la etapa (f) con una fuente de nitrógeno en el intervalo del 20 0,2-2,0 % seguido de esterilización a 121 ºC durante 15 minutos; (h) inoculación del cultivo de levadura de Saccharomyces al hidrolizado que se obtiene en la etapa (g) y su incubación en el intervalo de 25-35 ºC durante un periodo en el intervalo de 24 a 96 horas para obtener etanol; (i) separación del etanol que se obtiene en la etapa (h) a partir de un caldo fermentado por destilación; (j) concentración del etanol que se obtiene en la etapa (i) por destilación para obtener el producto deseado.
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento de produccion integrada de etanol y savia de algas marinas a partir de Kappaphycus alvarezii Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un procedimiento integrado para la produccion de etanol y savia de algas marinas a partir de Kappaphycus alvarezii. Mas espedficamente, la invencion se refiere a un procedimiento para la produccion de etanol a partir de algas marinas rojas ricas en ficocoloide, Kappaphycus alvarezii.
Antecedentes de la invencion
Hoy dfa, el etanol es un producto importante por su alta demanda en el mercado de combustibles. Este mercado ha crecido desde menos de 1000 millones de litros en 1975 a mas de 39.000 millones de litros en 2006 y se espera que alcance los 100.000 millones de litros en 2015 (Litch 2006). La produccion global de etanol se ha mas que doblado entre 2000 y 2005, mientras que la produccion de biodiesel, partiendo de una base mucho mas pequena, se ha expandido casi cuatro veces. En contraste, la produccion de petroleo mundial se ha incrementado unicamente un 7 % durante el mismo periodo. Menos del 4 % del etanol se produce sinteticamente a partir de petroleo, mientras que el resto se produce por fermentacion a partir de fuentes biologicas. Ahora el etanol se produce a partir de dos grupos principales de fuentes biologicas: sustancias de azucar y materiales amilaceos. Existe competencia entre estas dos materias primas para la produccion de etanol combustible. Las sustancias de azucar fueron la materia prima para mas del 60 % de la produccion del etanol combustible a comienzos de la decada del 2000, pero su cuota se redujo al 47 % para 2006, cuando el grano supuso el 53 % de la produccion (Licht 2006, "World ethanol markets: The outlook to 2015", Tunbridge Wells, informe especial Agra Europe, RU).
La produccion y uso de biocombustibles ha entrado en una nueva era de crecimiento global. Los dos biocombustibles principales en uso hoy dfa son el etanol y el biodiesel. El etanol se mezcla facilmente con gasolina, y el biodiesel se mezcla con diesel a base de petroleo para su uso en motores convencionales de combustible diesel. El etanol supone actualmente mas del 90 % de la produccion de biocombustibles totales, con el biodiesel que constituye el resto. El etanol tiene un mercado potencial tan grande como el mercado del petroleo. Potencialmente puede sustituir todo el mercado de combustible para la gasolina. El metanol o el etanol tambien se usan para la fabricacion de biodiesel, durante el procedimiento de transesterificacion.
Practicamente, todo el etanol combustible se produce mediante fermentacion de azucar de mafz y desechos de cana de azucar. Las cantidades de sustancias de azucar y grano estan limitadas en todo el mundo y son materias primas relativamente caras para la produccion de etanol. La produccion de bioetanol usando estas sustancias entra en competencia con el alimento humano que en el futuro puede dar lugar a un incremento en el precio del grano y el azucar a niveles superiores. Los biocombustibles a base de etanol en general se obtienen de la fermentacion de los carbohidratos presentes en el mafz y la soja, que son baratos de producir. No obstante, el cultivo de estas cosechas requiere grandes superficies de tierra que pueden desplazar la superficie cultivada necesaria para alimentos.
Debido a la disponibilidad limitada de tierra agncola es esencial que no ignoremos el potencial del entorno marino como fuente de biomasa para la produccion de etanol. Se sabe que las macroalgas se pueden cultivar facilmente, crecen de forma prolffica y secuestran el carbono. Ademas, el acuicultivo de algas marinas reduce la contribucion a la eutroficacion de los mares y por tanto se puede usar para mitigar los efectos de fuentes de agua residuales efluentes e industriales de residuos nitrogenados tales como los que tienen su origen en acuicultivos de peces que contribuyen al mantenimiento o la mejora de la biodiversidad.
Las macroalgas, conocidas mas habitualmente como "algas marinas", son un grupo diverso de plantas marinas de crecimiento rapido y aparecen como formas unidas a rocas tanto en aguas intermareales como en aguas submareales poco profundas. Estas plantas al ser autotrofas usan la energfa del sol para combinar el agua con el dioxido de carbono (CO2) y producir carbohidratos y en ultima instancia biomasa. Esta biomasa se recoge por todo el mundo como fuente alimentaria asf como materiales de exportacion para la produccion de ficocoloides. Las algas marinas se cultivan de forma comercial en diversos pafses asiaticos tales como China, Japon, Filipinas y Corea puesto que la demanda de algas marinas y productos a base de algas marinas supera la oferta a partir de fuentes silvestres. Ademas, el incremento de la demanda comenzo a espolear la investigacion y desarrollo de procedimientos de cultivo asf como de procedimientos de extraccion para la produccion y utilizacion sostenible de fuentes de algas marinas. Estas algas marinas se pueden cultivar a escala comercial en el mar en donde la superficie es ilimitada y se puede genera una cantidad enorme de biomasa sin practicas agncolas precisas.
Estas algas marinas se pueden usar para la produccion de biocombustible, espedficamente para la produccion de bioetanol puesto que son mas adecuadas para la produccion de bioetanol en comparacion con la produccion de biodiesel por las razones siguientes:
1. El contenido de carbohidratos de algunas de las algas marinas es muy elevado.
2. El contenido de lfpidos (aceites) en las algas marinas es inferior en comparacion con el contenido de
carbohidratos lo que las hace menos adecuadas para la produccion de biodiesel.
3. Para la produccion de etanol, se pueden usar algas marinas secas/semi-secas o frescas. No requieren
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ningun pretratamiento como el secado.
4. La extraccion de aceite es necesaria para la produccion de biodiesel, para lo cual el material se debe secar,
lo que supone un consumo energetico.
5. El CO2 generado mediante la fermentacion de etanol se puede usar como materia prima de algas.
Las algas rojas son algas marinas importantes a nivel global con una alta velocidad de crecimiento. Son representativas de ongenes diversos; talos mas complejos estan formados de filamentos. Las algas rojas Kappaphycus y Betaphycus son hoy dfa las fuentes de carragenano mas importantes usadas en la industria alimentaria. Gracilaria, Gelidium, Pterocladia y otras algas rojas se usan en la fabricacion de agar, utilizado de forma generalizada como agente de gelificacion en medios de crecimiento para microorganismos y para aplicaciones biotecnologicas. Estas paredes celulares de las algas estan compuestas de polisacaridos de cadena larga como celulosa y agares/carragenanos con un uso comercial generalizado.
El carragenano es una familia de polisacaridos sulfatados lineales extrafdos a partir de algas marinas rojas de Kappaphycus y Betaphycus. El carragenano esta compuesto de esteres de sulfato de sodio, potasio, magnesio y calcio de galactosa y unidades de 3,6-anhidrogalactosa. Hay disponibles tres tipos basicos de carragenano, que difieren en el numero y la localizacion del ester sulfatado. Estos polisacaridos son moleculas grandes y muy flexibles que se retuercen entre sf formando estructuras helicoidales dobles en presencia de cationes monovalentes y divalentes. Esto les proporciona la capacidad de formar una variedad de geles termorreversibles a temperatura ambiente. El contenido de carragenano vana entre el 25-35 % en base al peso seco en diferentes carragenofitas. El carragenano se usa de forma generalizada en las industrias alimentaria y farmaceutica como agentes espesantes, estabilizantes y de gelificacion.
Hasta hace poco, la industria de las algas marinas en la India habfa dependido exclusivamente en la recoleccion de fuentes naturales. Principalmente, esta se ha centrado en Sargassum (para alginatos y fertilizantes lfquidos de algas marinas), Gracilaria edulis (para agar de baja calidad) y Gelidiella acerosa (para agar de calidad moderadamente superior). Todo esto ha experimentado un cambio drastico en los ultimos cinco anos. Por una parte, se adapto Kappaphycus alvarezii en aguas de la India y se demostro que su cultivo era viable como consecuencia de una investigacion de toda una decada (patente de Estados Unidos n.° US6858430 con fecha de 22 de febrero de 2005). Posteriormente la tecnologfa fue licenciada por CSMCRI, que a su vez, ha espoleado el cultivo en Tamil Nadu por grupos de autoayuda y ONG con garantfa de recompra del usuario final. En los ultimos 20 anos, se ha realizado el cultivo con exito a gran escala de carragenofitas por todo el mundo incluyendo la India, y por tanto no hay escasez de algas marinas que produzcan carragenano. Dado que las algas marinas contienen mas del 90 % de agua en base al peso fresco, CSMCRI invento un procedimiento unico (patente de Estados Unidos n.° 6.893.479) para licuar las algas marinas frescas sin anadir nada de agua. Mediante este procedimiento sencillo, se pueden recuperar dos productos de forma integrada, uno que es un residuo concentrado rico en carragenano y el otro que es la savia de la planta (fertilizante lfquido de alga marina - LSF) rica en nutrientes primarios y secundarios de la planta. Para satisfacer la demanda agncola, es necesaria una enorme cantidad de biomasa de Kappaphycus alvarezii que se pueda conseguir mediante el cultivo terrestre y marino. Despues de la recuperacion de la savia, se generara una gran cantidad de biomasa residual rica en carragenano. Una vez satisfecho el requerimiento de materia prima para k-carragenano, la biomasa residual se puede usar para la produccion de bioetanol. Asf, la recuperacion de varios productos a partir de algas marinas hana el cultivo economicamente mas viable. Unas buenas practicas de cultivo pueden hacer de Kappaphycus una materia prima mas barata para la produccion de etanol. Estos desarrollos son de vital importancia desde el punto de vista de la expansion masiva de las industrias basadas en algas marinas mientras al mismo tiempo se centran en la sostenibilidad.
Una cntica importante a la que se enfrenta a menudo la produccion de combustibles a gran escala usando cultivos alimentarios es que podna desviar la produccion agncola de cultivos alimentarios, en especial en pafses en desarrollo. El hecho es que los programas de cultivo de energfa compiten con los cultivos de alimentos por el uso de tierra agncola, agua, fertilizantes, mano de obra cualificada, etc., lo que da lugar a un incremento en el precio de los alimentos. Ademas, el cultivo de cosechas para la produccion de biocombustible tendra un impacto sobre la diversidad biologica. Por tanto, existe una necesidad urgente por identificar una fuente alternativa para la produccion de bioetanol que supere todas las limitaciones. Las algas marinas son la opcion ideal puesto que su crecimiento en el mar, en donde hay disponible una superficie enorme para su cultivo y debido a la alta velocidad de crecimiento, generan una cantidad enorme de biomasa sin practicas agncolas especiales, reduciendo asf la presion sobre la tierra agncola. Aparte de esto, son ricas en carbohidratos y por tanto una fuente ideal para la produccion de bioetanol.
Tecnica anterior
Se puede hacer referencia a la patente de Estados Unidos n.° 6.893.479 (2007) asignada a Eswaran y col., y titulada "Integrated method for production of carrageenan and liquid fertilizer from fresh seaweeds" que han desvelado un procedimiento integrado para obtener varios productos a partir de biomasa fresca de Kappaphycus alvarezii y asf ha incrementado el valor de las algas marinas. Estos productos son i) savia, un biofertilizante lfquido potencial y ii) un material residual rico en carragenano granular. Este material residual es la materia prima para la extraccion de k- carragenano. El inconveniente de la patente es la utilizacion exclusiva de material residual para un producto, es decir, la preparacion de k-carragenano. No se hace ninguna mencion acerca de la utilizacion de material granular
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rico en carragenano para la produccion de etanol.
Los procedimientos para la produccion de etanol a partir de algas marinas mediante hidrolisis acida y posterior sacarificacion se conocen de la tecnica anterior (vease documento WO A 2009067771 y WOA 2008 105618).
Se puede hacer referencia a Maleszka y col., en su artfculo titulado "Ethanol production from D-galactose and glycerol by Pachysolen tannophilus" en Enzyme and Microbial Tech. (1982) 4(5): 349-352 que han descrito la produccion de etanol a partir de azucares considerados previamente como no fermentables como la D-galactosa y el glicerol. Estudiaron la produccion de etanol a partir de monosacaridos como la D-galactosa, D-glucosa, D-manosa o D-xilosa o glicerol. Han informado de que Pachysolen tannophilus convertfa todos los monosacaridos principales mencionados anteriormente de la planta en etanol. Tambien han indicado que la misma levadura tiene la capacidad de fermentar el glicerol derivado de algas en etanol. El inconveniente de este artfculo es el uso de monosacaridos vegetales como sustratos para la produccion de etanol. No se hace ninguna mencion acerca del uso de algas marinas o polisacaridos de algas marinas para la produccion de etanol.
Se puede hacer referencia a la patente de Estados Unidos n.° 5.270.175 (1993) asignada a M. Benjamin y titulada "Methods and compositions for producing metabolic products for algae", que desvela la formacion y uso de celulas de macroalgas marinas transformadas para la produccion de etanol. Seleccionaron Enteromorpha sp. en base a su rapido crecimiento y su capacidad para formar una alfombra densa en el estanque de crecimiento en dos meses. Prepararon protoplastos a partir de Enteromorpha y modificaron las celulas de las algas insertando el gen de la alcoholdeshidrogenasa y/o piruvatodescarboxilasa bajo el control de un gen promotor de expresion elevada. Cultivaron transformantes que producen alcohol en 200 ml de medio de agua de mar e inundaron los cultivos con agua de mar cada 2-3 dfas durante cinco a siete veces en estanques poco profundos. Han informado de que la sobreexpresion de al menos una enzima en la via metabolica de las celulas de alga dio lugar a la produccion de productos metabolicos. Los inconvenientes de esta patente son a) el uso de algas marinas geneticamente modificadas en las que el almidon es el polisacarido principal, b) la transformacion genetica es un procedimiento complicado y requiere un seguimiento continuo, c) debido a la naturaleza transgenica de la planta, presenta unas normas regulatorias claras antes de su uso. No se hace ninguna mencion acerca del uso de Kappaphycus alvarezii para la produccion de etanol. Ademas no se produce etanol como subproducto.
Se puede hace referencia a la patente de Estados Unidos n.° 5.578.472 (1996) asignada a Ueda y col., titulada "Process for the production of ethanol from microalgae" que han desvelado el procedimiento para la produccion de etanol a partir de microalgas. Cultivaron Chlamydomonas reinhardtii UTEX2247 capaz de acumular almidon en las celulas, recogieron las celulas de algas, concentraron la solucion de cultivo de algas que contienen las celulas de algas crecidas para obtener una suspension celular de algas y mantuvieron las celulas de algas concentradas en suspension en oscuridad y atmosfera anaerobia para formar etanol a pH en el intervalo de 6,0 a 9,0. Sometieron la suspension residual a la fermentacion de metano, quemandolo para generar dioxido de carbono, que se uso en la etapa de cultivo de microalgas. Los inconvenientes son a) el uso de microalgas, b) el almidon, acumulado en las celulas de algas, era un sustrato para la produccion de etanol, c) el procedimiento de fermentacion se llevo a cabo en condiciones de oscuridad. No se hace ninguna mencion acerca del uso de polisacaridos de macroalgas (ficocoloides) como sustratos para la produccion de etanol.
Se puede hace referencia a Hirano y col., en su artfculo titulado "CO2 fixation and ethanol production with microalgal photosynthesis and intracellular anaerobic fermentation" en Energy (1997) 22: 137-142 que han examinado la productividad de etanol de microalgas. Despues de aislar mas de 200 cepas de microalgas a partir de algas marinas y seleccionarlas por su velocidad de crecimiento, contenido de almidon y productividad de etanol, se identifico Chlorella vulgaris (IAM C-534) como la mas prometedora con respecto al contenido de almidon, es decir, 37 %. Extrajeron almidon de las celulas de Chlorella, sacarificaron el almidon, fermentaron con levaduras y obtuvieron el 65 % de conversion de etanol. Tambien examinaron otro tipo de procedimiento de produccion de etanol, es decir, la fermentacion de almidon intracelular en oscuridad y condiciones anaerobias. Han informado de que todas las cepas sometidas a ensayo presentaban degradacion de almidon intracelular y produccion de etanol. Por ultimo, concluyeron que la produccion de etanol intracelular es mas sencilla y de mayor consumo energetico que el procedimiento de fermentacion de etanol convencional. Los inconvenientes de este artfculo son a) el uso de microalgas, b) el uso del componente extrafdo de las microalgas, el almidon, como sustrato; c) el uso de la fermentacion de almidon intracelular en oscuridad y condiciones anaerobias. No se hace ninguna mencion acerca del uso de las algas marinas o del material rico en carragenano obtenido a partir de algas marinas como sustrato para la produccion de etanol.
Se puede hacer referencia a Ueno y col., en su artfculo titulado "Ethanol production by Dark Fermentation in the Marine Green alga, Chlorococcum littorale" en J. of Fermentation and Bioengineering (1998) 86(1): 38-43 que han estudiado la fermentacion en oscuridad en algas marinas verdes, Chlorococcum littorale poniendo enfasis en la produccion de etanol. Han informado de que el 27 % del almidon celular se consumio en 24 horas a 25 °C en condiciones anaerobias en oscuridad mediante las cuales se produjo etanol, acetato, hidrogeno y dioxido de carbono como productos de fermentacion. Han conseguido la maxima productividad de etanol de 450 pmol/g en peso seco a 30 °C. El inconveniente de este artfculo es a) el uso de microalgas que tienen el almidon como carbohidrato; b) el procedimiento de fermentacion se lleva a cabo en oscuridad y condiciones anaerobias para la produccion de etanol. No usaron macroalgas, en particular algas marinas rojas. Tampoco se hace ninguna mencion acerca del uso de
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levaduras o bacterias para la fermentacion.
Hirayama y col., en su artfculo titulado "Ethanol production from carbon dioxide by fermentative microalgae" en Studies in Surface Science and Catalysis (1998) 114: 657-660, han descrito la produccion de etanol a partir de microalgas fermentativas que fijan el dioxido de carbono. Seleccionaron mas de 200 cepas de microalgas a partir de agua de mar para la fijacion de CO2 y la produccion de etanol por auto-fermentacion. Los aislados tambien se sometieron a ensayo para su velocidad de crecimiento, contenido de almidon, y velocidad de conversion de almidon en etanol. Seleccionaron una de las cepas excelentes, Chlamydomonas sp. YA-SH-1 en base a su velocidad de crecimiento mas alta (30 g de biomasa seca/m2 d), contenido de almidon (30 % en base al peso seco) y mayor tasa de conversion de almidon intracelular en etanol (50 %) en oscuridad y condiciones anaerobias. Cultivaron Chlamydomonas sp., la recogieron y la dejaron reposar para su auto-fermentacion. Por ultimo, extrajeron el etanol del caldo de fermentacion. El inconveniente de este artfculo es a) el uso de microalgas que tienen un mayor contenido de almidon; b) el uso del procedimiento de auto-fermentacion en condiciones de oscuridad. No se hace ninguna mencion acerca del uso de macroalgas, en particular algas marinas rojas, que tengan polisacaridos distintos al almidon, para la produccion de etanol y no produjeron etanol como subproducto.
Se puede hace referencia a Svein Jarle Horn, por su tesis doctoral titulada "Bioenergy from brown seaweeds" enviada al departamento de biotecnologfa de la Universidad de ciencia y tecnologfa de Noruega (NTNU), Trondheim, Noruega en el ano 2000, que realizo una investigacion acerca del uso de Laminaria hyperborea y Ascophyllum nodosum para la produccion de energfa. En este trabajo usaron laminaran y manitol extrafdos de frondas de L. hyperborea como sustrato para la produccion de etanol. Uso Zymobacter palmae para la produccion de etanol a partir de manitol, que no podfa utilizar laminaran. No obstante, la levadura Pichia angophorae fue capaz de producir etanol a partir de ambos sustrato simultaneamente. Por ultimo, ha producido metano y etanol a partir de algas marinas pardas. Segun el, la produccion de energfa a partir de algas marinas sena rentable si los costes de recoleccion fuesen bajos. Se puede indicar que los residuos de las industrias del alginato se pueden considerar como materia prima sin coste para la produccion de energfa. El inconveniente de este trabajo es el uso de algas marinas pardas. No se hace ninguna mencion acerca del uso de algas rojas como fuente de etanol y produccion de etanol como subproducto.
Se puede hace referencia a Horn y col., en su artfculo titulado "Ethanol production from seaweed extract" en J. of Industrial Microbiology and Biotechnology (2000) 25: 249-254, que han informado de la produccion de etanol a partir de extracto de algas marinas pardas. Prepararon un extracto acuoso a partir de frondas frescas de Laminaria hyperborea cultivada a pH 2,0 y 60 °C durante 1 hora. El extracto contema manitol y laminaran con un rendimiento del 2 % en base al peso fresco. Se usaron cuatro microorganismos, una bacteria y tres levaduras, para la fermentacion en cultivos discontinuos y continuos. Consiguieron un rendimiento de etanol de 0,43 g/g de sustrato en el cultivo en discontinuo. El inconveniente de este artfculo es a) el sacrificio de toda la planta de algas pardas, Laminaria hyperborea y b) el uso de extracto de algas marinas constituido por manitol y laminaran como sustrato de azucar. No usaron algas rojas para la produccion de etanol. Ademas, no se hace ninguna mencion acerca de la produccion de etanol como subproducto.
Se puede hace referencia a Matsumoto y col., en su artfculo titulado "Saccharification of marine microalgal biomass for bioethanol production using marine bacteria" en Appl. Biochemistry and Biotechnology (2003) 105: 247-254, que han informado del procedimiento de sacarificacion de polisacaridos de microalgas marinas usando bacterias marinas. De 191 cepas de bacterias marinas aisladas, se identifico Pseudoalterimonas undina como cultivo bacteriano con mayor potencial con respecto a la sacarificacion en condiciones salinas. Se uso una microalga verde NKG 12070, que tiene la concentracion mas elevada de carbohidrato intracelular tal como almidon. Despues de inocular Pseudoalterimonas undina en la suspension celular de algas, debido a la produccion de amilasa, se observo un incremento en la concentracion de azucares reductores. Los inconvenientes son a) el uso de microalgas como materia prima en las que el almidon es el carbohidrato principal; b) el uso de un procedimiento enzimatico para la sacarificacion. No se hace ninguna mencion acerca del uso de algas marinas para la produccion de etanol.
Se puede hace referencia a la patente de Estados Unidos n.° 6.699.696 (2004) asignada a Woods y col., y titulada "Genetically modified cyanobacteria for the production of ethanol, the constructs and method thereof" que han desvelado el procedimiento de produccion de etanol a partir de cianobacterias geneticamente modificadas, en particular Synechococcus. Construyeron fragmentos de aDn que codifican las enzimas piruvatodescarboxilasa y la alcoholdeshidrogenasa obtenidas a partir de Zymomonas mobilis en el plasmido pLOI295. Estas dos enzimas son necesarias para la produccion de etanol a partir de piruvato, un producto de la via glicolftica. Las celulas cianobacterianas recogidas se modificaron mediante la incorporacion de los constructos y se inocularon en placas que contienen ampicilina para la seleccion de las celulas cianobacterianas transformadas resistentes a ampicilina. Estas celulas de Synechococcus modificadas eran capaces de producir etanol en una cantidad recuperable de al menos 1,7 pmol de etanol por miligramo de clorofila y hora. El inconveniente de esta patente es a) el uso de microalgas, en particular Synechococcus geneticamente modificado que requiere unos conocimientos precisos y un seguimiento continuo. No se hace ninguna mencion acerca del uso de algas marinas para la produccion de alcohol.
Se puede hace referencia a la patente de Estados Unidos n.° 7.135.308 (2006) asignada a Bush y col., y titulada "Process for the production of ethanol from algae" que han desvelado un procedimiento para la produccion de etanol mediante la recoleccion de algas acumuladoras de almidon formadoras de filamentos o formadoras de colonias a
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partir de emplazamientos de aguas naturales para formar biomasa, iniciando la descomposicion celular, la fermentacion y el aislamiento del etanol a partir del caldo fermentado. Mantienen la biomasa de algas en oscuridad y condiciones anaerobias para el inicio de la descomposicion de biomasa seguido por la inoculacion de levaduras tales como Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces uvarum para formar una solucion de fermentacion a partir de la cual se separa el etanol generado. Los inconvenientes de la patente son a) el uso de un cultivo mixto de algas puesto que usan floraciones de microalgas naturales; b) el uso del componente de algas, el almidon, como sustrato. No usaron cultivos puros de microalgas puesto que los experimentos se realizaron con floraciones de algas. No se hace ninguna mencion acerca de a) la hidrolisis del almidon en azucares sencillos antes de la fermentacion y b) el uso de macroalgas para la produccion de etanol y el etanol no se produjo como producto adicional.
Se puede hace referencia a Jessica y col., (2008) en su artfculo titulado "Fermentation study on Saccharina latissima for bioethanol production considering variable pretreatments" publicado en Journal of Applied Phycology (DOI 10.1007/s10811-008-9384-7) que describe el efecto del pretratamiento enzimatico de algas sobre la produccion de bioetanol usando un alga parda, Saccharina latissima (Laminaria saccharina). La laminarina y el manitol son los carbohidratos principales obtenidos a partir de las feoffceas, ademas del acido algmico. La cantidad de los tres carbohidratos vana con la estacion y el ciclo de vida de las plantas. La laminarina esta constituida por residuos de glucosa unidos en p-1,3 con una pequena cantidad de uniones p-1,6. El polisacarido se hidroliza facilmente con laminarinasa a diferentes condiciones de pH y temperatura. No obstante, la maxima produccion de etanol (0,49 %) se obtuvo con la muestra tratada con enzima a pH 6 a 23 °C. El inconveniente del artmulo es a) el sacrificio del alga marina completa; b) la generacion de un alto contenido salino en el hidrolizado durante el pretratamiento debido al ajuste del pH que impide la produccion de etanol; c) el etanol no se produce como producto adicional.
Se puede hace referencia a investigadores de la Universidad de ciencias marinas y tecnologfa de Tokio, Instituto de investigacion Mitsubishi, en
www.pinktentacle.com/2007/03/seaweed-as-biofuel, marzo de 2007, que revelaron detalles de una propuesta ambiciosa de produccion a gran escala de bioetanol a partir de algas marinas cultivadas. Segun ellos, las algas marinas han sido el centro de discusion desde hace mucho tiempo como posible fuente de bioetanol que normalmente se prepara a partir de cultivos tales como cana de azucar y mafz, pero la idea nunca se ha cristalizado. Segun ellos, el alga marina de sargazo sera cultivada a gran escala debido a su mayor velocidad de crecimiento seguido por la sacarificacion enzimatica de los polisacaridos de las algas como el fucoidano y el acido algmico y posteriormente su fermentacion para la produccion de etanol. Segun ellos, ademas de la produccion de etanol, las algas marinas ayudanan a limpiar el Mar del Japon reduciendo el exceso de nutrientes presentes en el mar. Los inconvenientes de la propuesta son 1. El uso de algas pardas para la produccion de etanol; 2. El sacrificio de toda el alga marina para la produccion de etanol; 3. La sustitucion del cultivo de algas alimentarias como el nori y el wakame con algas pardas de sargazo; 4. La aplicacion de un procedimiento de sacarificacion enzimatico que es relativamente lento. No mencionan el uso de algas rojas y no se hace ninguna mencion acerca de la produccion de etanol como subproducto.
www.pinktentacle.com/2007/03/seaweed-as-biofuel, marzo de 2007, que revelaron detalles de una propuesta ambiciosa de produccion a gran escala de bioetanol a partir de algas marinas cultivadas. Segun ellos, las algas marinas han sido el centro de discusion desde hace mucho tiempo como posible fuente de bioetanol que normalmente se prepara a partir de cultivos tales como cana de azucar y mafz, pero la idea nunca se ha cristalizado. Segun ellos, el alga marina de sargazo sera cultivada a gran escala debido a su mayor velocidad de crecimiento seguido por la sacarificacion enzimatica de los polisacaridos de las algas como el fucoidano y el acido algmico y posteriormente su fermentacion para la produccion de etanol. Segun ellos, ademas de la produccion de etanol, las algas marinas ayudanan a limpiar el Mar del Japon reduciendo el exceso de nutrientes presentes en el mar. Los inconvenientes de la propuesta son 1. El uso de algas pardas para la produccion de etanol; 2. El sacrificio de toda el alga marina para la produccion de etanol; 3. La sustitucion del cultivo de algas alimentarias como el nori y el wakame con algas pardas de sargazo; 4. La aplicacion de un procedimiento de sacarificacion enzimatico que es relativamente lento. No mencionan el uso de algas rojas y no se hace ninguna mencion acerca de la produccion de etanol como subproducto.
Se puede hace referencia a The professional Journal engineer en su artmulo titulado "Denmark looks to turn a common seaweed into biofuel" publicado en
(
http://www.ambathen.um.dk/da/menu/OmOs/Klimaforandringer/DENMARKLOOKSTO
http://www.ambathen.um.dk/da/menu/OmOs/Klimaforandringer/DENMARKLOOKSTO
TURNACOMMONSEAWEEDINTOBIOFUEL.htm?WBCMODE=Pre%2CPresentationU con fecha del 7 de enero de 2008 que menciona la recaudacion de fondos de un proyecto para evaluar el potencial de produccion de bioetanol a partir de lechuga marina (algas marinas). Menciona que un alga verde, Ulva lactuca, tiene potencial para la produccion de bioetanol. Apunta a la observacion de Michael Bo Rasmussen del National Environmental Research Institute de la Universidad de Aarhus en donde menciona la lechuga marina como una posible fuente rica para la fabricacion de bioetanol a partir de una fuente de biomasa no alimentaria en lugar de a partir de cultivos de cereales tales como el mafz.
Se puede hace referencia a Hiroshi Yamazaki, en su artmulo titulado "Japan experiments with new biofuels" en
http://bioenergy.checkbiotech.org/news/2007-06-27/japan_experiments_with_new_biofuels/ con fecha de 1 de junio de 2008 que informa de que empresas japonesas han comenzado a introducir combustible de bioetanol en el mercado con la esperanza de reducir significativamente las emisiones de CO2. Ademas anade que la produccion domestica de biocombustible, en particular a partir de materiales comestibles, parece ser un objetivo lejano. No obstante, la experimentacion prometedora con nuevos materiales, incluyendo algas marinas y desechos de madera esta acaparando la atencion.
http://bioenergy.checkbiotech.org/news/2007-06-27/japan_experiments_with_new_biofuels/ con fecha de 1 de junio de 2008 que informa de que empresas japonesas han comenzado a introducir combustible de bioetanol en el mercado con la esperanza de reducir significativamente las emisiones de CO2. Ademas anade que la produccion domestica de biocombustible, en particular a partir de materiales comestibles, parece ser un objetivo lejano. No obstante, la experimentacion prometedora con nuevos materiales, incluyendo algas marinas y desechos de madera esta acaparando la atencion.
Recientemente un artmulo en
http://www.eurozone-invest.com/biofuel.html describe el uso de algas marinas o algas para la produccion de bioetanol y biodiesel. De acuerdo con este, el cultivo de algas para la produccion de biodiesel es mas diffcil, ya que requieren un entorno espedfico para ser muy productivas y se pueden contaminar facilmente por especies no deseables. Por otro lado, las algas y algas marinas son ricas en azucares complejos como el almidon, cantidad de que es mas alta que el aceite presente. Este polisacarido, mediante su conversion y fermentacion, se transforma en etanol.
http://www.eurozone-invest.com/biofuel.html describe el uso de algas marinas o algas para la produccion de bioetanol y biodiesel. De acuerdo con este, el cultivo de algas para la produccion de biodiesel es mas diffcil, ya que requieren un entorno espedfico para ser muy productivas y se pueden contaminar facilmente por especies no deseables. Por otro lado, las algas y algas marinas son ricas en azucares complejos como el almidon, cantidad de que es mas alta que el aceite presente. Este polisacarido, mediante su conversion y fermentacion, se transforma en etanol.
Se puede hacer referencia a Aizawa y col., en su artmulo titulado "Seaweed Bioethanol Production in Japan - The Ocean Sunrise Project" en Oceans 2007 afirma que el proyecto tiene como objetivo producir bioetanol de algas marinas mediante cultivo y recoleccion de Sargassum horneri, utilizando 4,47 millones de km2 (sexto mas grande en el mundo) de areas no utilizadas de la zona economica exclusiva (ZEE) y cinturones mantimos de Japon. Tambien
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anaden que mediante la produccion de bioetanol a partir de algas marinas, el proyecto tiene como objetivo combatir el calentamiento global, aportando una energfa alternativa a los combustibles fosiles. Este trabajo describe los resultados de la investigacion de viabilidad del proyecto realizada por Tokyo Fisheries Promotion. El inconveniente de este artmulo es a) el uso de Sargassum horneri para la produccion de etanol. No llevan a cabo la produccion de etanol y no se hace ninguna mencion acerca de la extraccion de galactosa a partir de compuesto intracelular de algas rojas.
El informe reciente titulado "seaweed biofuel developed" en
http://www.prensa- latinaenglish.com/article.asp?ID=%7B6392ED95-9842-486E-¥B4E5-676A4FA23D61 %7D)&language=EN con fecha de 2 de junio 2008 describe que el biocombustible elaborado a partir de algas marinas podna ser una alternativa al etanol, que obtenido a partir de cultivos alimentarios acarrea el aumento de los precios de los alimentos. En este artmulo, Bernard Stroazzo, (presidente de Bio Fuel-System) afirma que la produccion de biocombustibles a partir de algas marinas es prometedora y que el producto no afectana al medio ambiente ni estana en riesgo la alimentacion de la poblacion. Segun el, las algas marinas tienen un sistema de fotosmtesis muy eficiente recuperando el 100 % de la energfa solar en comparacion con otros biocombustibles. Sin embargo, el mayor problema para los investigadores radica en la identificacion de especies de algas marinas adecuadas a partir de las cuales sea posible la generacion de gran cantidad de biocombustibles.
http://www.prensa- latinaenglish.com/article.asp?ID=%7B6392ED95-9842-486E-¥B4E5-676A4FA23D61 %7D)&language=EN con fecha de 2 de junio 2008 describe que el biocombustible elaborado a partir de algas marinas podna ser una alternativa al etanol, que obtenido a partir de cultivos alimentarios acarrea el aumento de los precios de los alimentos. En este artmulo, Bernard Stroazzo, (presidente de Bio Fuel-System) afirma que la produccion de biocombustibles a partir de algas marinas es prometedora y que el producto no afectana al medio ambiente ni estana en riesgo la alimentacion de la poblacion. Segun el, las algas marinas tienen un sistema de fotosmtesis muy eficiente recuperando el 100 % de la energfa solar en comparacion con otros biocombustibles. Sin embargo, el mayor problema para los investigadores radica en la identificacion de especies de algas marinas adecuadas a partir de las cuales sea posible la generacion de gran cantidad de biocombustibles.
Ricardo Radulovich en su artmulo titulado "Let's use seaweed as fuel" en la revista COSMOS (
http://www.cosmosmagazine.com/node/2040) con fecha de 10 de junio de 2008 menciona que las algas marinas generalmente se utilizan como alimentos, fertilizantes y piensos para animales, pero tambien se pueden utilizar como combustible principal. Tambien indica como ventajas del uso de algas marinas para la produccion de biocombustibles el no requerir de suelo y agua.
http://www.cosmosmagazine.com/node/2040) con fecha de 10 de junio de 2008 menciona que las algas marinas generalmente se utilizan como alimentos, fertilizantes y piensos para animales, pero tambien se pueden utilizar como combustible principal. Tambien indica como ventajas del uso de algas marinas para la produccion de biocombustibles el no requerir de suelo y agua.
Algenol, una empresa privada, se dedica a la investigacion general y a esfuerzos de desarrollo de sistemas de produccion a escala industrial para producir etanol a partir de algas en tierra desertica usando agua de mar y grandes cantidades de CO2. Algenol utiliza cianobacterias (algas verde azuladas) por seleccion natural, seleccion del medio ambiente, y herramientas de biologfa molecular para producir biocombustibles ambientalmente seguros y de bajo coste. Al igual que todas las plantas, las algas utilizan la fotosmtesis para convertir la energfa solar en energfa qmmica almacenada en forma de aceites, carbohidratos y protemas. La tecnologfa patentada de Algenol produce etanol a partir de cuatro fuentes renovables abundantes y practicamente ilimitadas: Algas, luz solar, dioxido de carbono y agua de mar. Los resultados de este procedimiento son etanol, oxfgeno, agua dulce y fertilizante agncola. El procedimiento de Algenol tiene un balance energetico muy positivo y no requiere de siembra, recoleccion, transporte de materias primas, fertilizantes basados en combustibles fosiles y no libera CO2 durante el procedimiento de crecimiento o produccion de etanol (
http://www.algenolbiofuels.com/default.html). La empresa cree que su procedimiento basado en agua de mar puede generar 6000 galones por acre al ano, en contraste con el mafz y la cana de azucar que producen aproximadamente 360 y 890 galones por acre respectivamente. Durante el procedimiento, un alga consume luz solar y mas del 90 por ciento del CO2 del sistema a traves de la fotosmtesis, en la que los azucares se convierten en etanol. El etanol se bombea inmediatamente hacia fuera y se evapora en el biorreactor en el que se captura cada noche. El inconveniente de la invencion es la utilizacion de las algas verdes azuladas y no de algas marinas. Ademas no se hace ninguna mencion acerca de la produccion de etanol como subproducto.
http://www.algenolbiofuels.com/default.html). La empresa cree que su procedimiento basado en agua de mar puede generar 6000 galones por acre al ano, en contraste con el mafz y la cana de azucar que producen aproximadamente 360 y 890 galones por acre respectivamente. Durante el procedimiento, un alga consume luz solar y mas del 90 por ciento del CO2 del sistema a traves de la fotosmtesis, en la que los azucares se convierten en etanol. El etanol se bombea inmediatamente hacia fuera y se evapora en el biorreactor en el que se captura cada noche. El inconveniente de la invencion es la utilizacion de las algas verdes azuladas y no de algas marinas. Ademas no se hace ninguna mencion acerca de la produccion de etanol como subproducto.
KBS World Radio publico un informe titulado "Researchers produce bioethanol with seaweed" el 17 de junio de 2008. De acuerdo con este, el Instituto de investigacion y desarrollo oceanografico de Corea afirma que los investigadores del Instituto y la Universidad nacional de Gangwon produjeron bioetanol de forma conjunta utilizando un tipo de alga marina que se encuentra en la costa de la isla de Jeju. El instituto planea impulsar el seguimiento de la investigacion para comercializar la tecnologfa.
De acuerdo con un informe publicado el 23 de junio de 2008, en
http://dsc.discovery.com/news/2008/06/23/ireland- seaweed-ethanol.html de 23 de junio, citando a Discovery News en "Seaweed power: Ireland Taps new energy source", el cientffico irlandes Stephan Khan, jefe del Centro irlandes de algas marinas de la Universidad nacional de Irlanda en Galway, describe que Irlanda podna convertirse en un actor clave en la produccion de biocombustibles a partir de algas marinas. Segun el, las algas no tienen la imagen negativa de los recursos de biomasa terrestre, que se dice son responsables de los precios de los alimentos, que inciden en el uso de agua y la destruccion de las selvas tropicales. La Sociedad internacional de ficologfa aplicada esta examinando los aspectos economicos y sociales del uso de algas marinas pardas para la produccion de bioetanol.
http://dsc.discovery.com/news/2008/06/23/ireland- seaweed-ethanol.html de 23 de junio, citando a Discovery News en "Seaweed power: Ireland Taps new energy source", el cientffico irlandes Stephan Khan, jefe del Centro irlandes de algas marinas de la Universidad nacional de Irlanda en Galway, describe que Irlanda podna convertirse en un actor clave en la produccion de biocombustibles a partir de algas marinas. Segun el, las algas no tienen la imagen negativa de los recursos de biomasa terrestre, que se dice son responsables de los precios de los alimentos, que inciden en el uso de agua y la destruccion de las selvas tropicales. La Sociedad internacional de ficologfa aplicada esta examinando los aspectos economicos y sociales del uso de algas marinas pardas para la produccion de bioetanol.
Ray Ryan, corresponsal de agroindustria, escribio un artmulo titulado "Seaweed offers bright future for biofuel industry", publicado en la pagina web de
http://www.examiner.ie/story/business/gbojqlcwoj/rss2/ con fecha de 24 de junio de 2008. Con referencia a lo anterior, afirma que con sus ricos recursos de algas marinas sostenibles, Irlanda esta a punto de convertirse en un actor importante en la proxima generacion de la produccion de biocombustibles.
http://www.examiner.ie/story/business/gbojqlcwoj/rss2/ con fecha de 24 de junio de 2008. Con referencia a lo anterior, afirma que con sus ricos recursos de algas marinas sostenibles, Irlanda esta a punto de convertirse en un actor importante en la proxima generacion de la produccion de biocombustibles.
Seaweedireland.com ha publicado un artmulo sobre bio-combustible, bio-gas, electricidad y calor en
http://dezeewierwinkel.nl/bio-fuel.html que describe que las algas marinas pueden ser descompuestas por microorganismos pequenos para producir diferentes tipos de alcohol.
http://dezeewierwinkel.nl/bio-fuel.html que describe que las algas marinas pueden ser descompuestas por microorganismos pequenos para producir diferentes tipos de alcohol.
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Objetivos de la invencion
El objeto de la presente invencion es proporcionar un procedimiento para la produccion integrada de savia de algas marinas y etanol a partir de Kappaphycus alvarezii que eluda los inconvenientes detallados anteriormente.
Otro objeto de la presente invencion es la utilizacion de material residual despues de la destilacion de etanol, junto con CaSO4 generado durante la neutralizacion y descartes del procedimiento de ED que contiene K2SO4 como sal soluble principal, como abono.
Sumario de la invencion
Por consiguiente, la presente invencion proporciona un procedimiento integrado para la produccion de etanol y savia de algas marinas a partir de Kappaphycus alvarezii, dicho procedimiento que comprende las siguientes etapas:
(a) recoleccion de algas rojas cultivadas del mar;
(b) extraccion de la savia de Kappaphycus fresco para liberar el nutriente vegetal lfquido que deja material granular residual rico en carragenano;
(c) lavado de los granulos residuales para eliminar la sal y los sedimentos;
(d) hidrolisis de los granulos ricos en polisacaridos usando acido sulfurico diluido en el intervalo del 0,5-5 % y calentamiento de la solucion en el intervalo de 80-200 °C durante 30-90 minutos para obtener un hidrolizado rico en azucar reductor;
(e) recuperacion de la solucion por filtracion o centrifugacion en el intervalo de 5000-7000 rpm durante 15 minutos;
(f) aumento de la concentracion de azucar en el hidrolizado mediante la adicion de granulos frescos de Kappaphycus alvarezii a la solucion filtrada y repeticion de la etapa (d) y (e) hasta que la concentracion de azucar se encuentre en el intervalo del 2 al 10 %;
(g) ajuste del pH del hidrolizado en el intervalo de 4,5 a 8,0 con hidroxido de calcio;
(h) separacion de las sales insolubles por filtracion o centrifugacion en el intervalo de 5000-7000 rpm durante 15 minutos;
(i) desalar el hidrolizado, para eliminar las sales solubles, por electro-dialisis;
(j) enriquecer el hidrolizado con fuentes de nitrogeno como peptona, extracto de levadura e hidrolizados de protemas de pasta de Jatropha en el intervalo del 0,2-2,0 % y a continuacion su esterilizacion a 121 °C durante 15 minutos;
(k) inoculacion de Saccharomyces cerevisiae, n.° de cultivo NCIM 3455 (ATCC 26602) al hidrolizado enriquecido e incubacion a 25-35 °C durante un periodo en el intervalo de 24 a 96 h;
(l) seguimiento de la produccion de etanol;
(m) separacion del etanol del caldo fermentado por destilacion;
(n) concentracion del etanol por destilacion.
Para la produccion de etanol se usan macroalgas que producen carragenano pertenecientes a la clase Rhodophyta y al genero Kappaphycus, donde aparte de la savia de las algas marinas, se produce etanol como producto adicional a partir de granulos ricos en carragenano.
En una realizacion de la presente invencion, la etapa de sacarificacion comprende la hidrolisis acida de granulos ricos en carragenano a temperatura elevada, en la que el polisacarido se hidroliza parcialmente a azucares simples tales como galactosa con acido sulfurico diluido en el intervalo del 0,5 % al 5,0 % a una temperatura en el intervalo de 80 a 200 °C durante un periodo en el intervalo de 30-60 minutos.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, la concentracion de azucar reductor del hidrolizado final se incrementa del 2,0 % al 10 % mediante hidrolisis repetida de granulos frescos en la misma solucion.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, la solucion de azucar se mantiene en el intervalo del 2 % al 10 %.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, la solucion de azucar recuperada tiene un pH en el intervalo de 0,6 a 1,0.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el CaSO4 insoluble generado durante el procedimiento de neutralizacion se elimina por filtracion al vacfo o centrifugacion a 7000 rpm durante 15 minutos, mientras que las sales solubles se eliminan por el procedimiento de electrodialisis.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el hidrolizado se enriquece con fuentes de nitrogeno como peptona y extracto de levadura o hidrolizado de protema de pasta de Jatropha a una concentracion en el intervalo del 0,2-2,0 %.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el cultivo activo de levadura de cerveza convencional, es decir, Saccharomyces cerevisiae, cultivo numero NCIM 3455 (ATCC 26602) se inocula en el hidrolizado tratado en autoclave.
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En otra realizacion adicional de la presente invencion, el hidrolizado de algas marinas inoculadas se incuba en el intervalo de 25-35 °C durante un periodo en el intervalo de 24 a 96 horas en condiciones aerobias y anaerobias por fermentacion de azucar en etanol.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el bioetanol se separa del caldo fermentado por destilacion.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el caldo fermentado restante despues de la destilacion, junto con el CaSO4 insoluble generado durante la neutralizacion y los descartes del procedimiento de electrodialisis se usan como abono.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el hidrolizado final contiene galactosa como monosacarido, oligosacaridos parcialmente hidrolizados y carragenano sin hidrolizar.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, se usa hidroxido de calcio para ajustar el pH del hidrolizado en el intervalo de 4,5 a 8,0.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el sulfato de calcio precipitado se elimina por filtracion o centrifugacion.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el hidrolizado se desala para eliminar las sales solubles usando el procedimiento de electrodialisis.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el hidrolizado final se enriquece con peptona y extractos de levadura o hidrolizado de protema de pasta de Jatropha para proporcionar una fuente de nitrogeno a los organismos fermentadores.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, se inocula Saccharomyces cerevisiae, cultivo numero NCIM 3455 (ATCC 26602) en el caldo de fermentacion y se incuba a 30 °C inicialmente en condiciones aerobias y a continuacion en condiciones anaerobias durante un periodo que oscila entre 24-96 horas.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, la produccion de etanol durante la fermentacion se controla mediante GC-MS.
En otra realizacion adicional de la presente invencion, el etanol se concentra y se destila a partir del caldo de fermentacion.
Breve descripcion del dibujo
Figura 1. Diagrama de flujo esquematico del procedimiento de electrodialisis.
Descripcion detallada de la invencion
El objetivo de la presente invencion es producir bioetanol y mas espedficamente es proporcionar un procedimiento para la produccion de etanol mediante la fermentacion de biomasa de macroalgas. La presente invencion se refiere al desarrollo de un procedimiento para la produccion de bioetanol usando algas rojas mediante la utilizacion de ficocoloides de algas rojas como material fuente. En la presente invencion, por primera vez, se produce bioetanol a partir de Kappaphycus alvarezii como subproducto. Las algas marinas rojas son plantas marinas de crecimiento rapido que estan compuestas de polisacaridos degradables, principalmente agar o carragenano.
El procedimiento del bioetanol en general esta comprendido de sacarificacion y fermentacion. La sacarificacion normalmente se realiza mediante hidrolisis acida concentrada/diluida e hidrolisis enzimatica seguida de fermentacion usando bacterias o levaduras. La sacarificacion se realiza sometiendo la biomasa de algas a hidrolisis acida diluida usando acido sulfurico en el intervalo del 0,5% al 5,0% en el intervalo de 80-200 °C durante un periodo en el intervalo de 30-90 minutos. Esto da lugar a la conversion de carragenano en galactosa con la generacion simultanea de sales solubles debido al alto contenido de sulfato del carragenano. La concentracion de azucares reductores del hidrolizado recuperado se incrementa al tratar la biomasa fresca en la misma solucion en condiciones similares. El procedimiento se repite de 3 a 5 veces para conseguir la concentracion deseada de azucares reductores en el intervalo del 2 al 10 % que se controla espectrofotometricamente usando el procedimiento de Nelson. El incremento en la concentracion de azucar produjo un aumento en la concentracion de sal soluble en el hidrolizado final. El pH del filtrado resultante se ajusta en el intervalo de 4,5 a 8,0 usando hidroxido de calcio. Los precipitados insolubles de sulfato de calcio generados durante el procedimiento de neutralizacion se eliminan por filtracion o centrifugacion en el intervalo de 5000-7000 rpm durante 15 minutos, mientras que las sales solubles se eliminan mediante el procedimiento de electrodialisis. En este procedimiento, una pila de electrodialisis se lleno con 5 pares de celdas de membranas de intercambio de cationes y aniones de tipo interpolimerico preparadas en este laboratorio. En la pila se empleo un flujo en paralelo. El area individual efectiva de la membrana de la pila era de 80 cm2. El hidrolizado de algas marinas se hizo circular a traves de los compartimentos del producto (diluato) de la pila de ED. Al mismo tiempo se hizo circular agua a traves de los compartimentos del concentrado. Todos los experimentos se realizaron con un caudal de circulacion de 3,0 l/h para cada una de las corrientes de producto y de concentrado usando bombas adecuadas. Se hizo circular una solucion diluida de sulfato sodico a traves de los compartimentos de dos
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electrodos al final para expulsar los productos de la electrodialisis. Se aplico un potencial electrico (7,5 V) entre los dos electrodos por medio de un rectificador AC/DC. Se prosiguio con la circulacion de las corrientes de diluato y de concentrado hasta que el rechazo de sal disuelta total alcanza el 90-95 % de la cantidad inicial. A intervalos de corriente regulares se registro la tension y el TDS. Al final del experimento, se analizaron muestras de ensayo de la corriente de diluato y de concentrado para el TDS, la conductividad, el pH, cloruro, sulfato, dureza, sodio, potasio, etc.
Despues del procedimiento de electrodialisis, el hidrolizado final, que contiene monosacarido, oligosacaridos parcialmente hidrolizados y polisacaridos sin hidrolizar se enriquece con fuentes de nitrogeno como peptona, extracto de levadura o hidrolizado de protemas de pasta de Jatropha en el intervalo del 0,2 al 2,0 %, se introduce en autoclave y se somete a fermentacion mediante la inoculacion con un cultivo de Saccharomyces cerevisiae, n.° NCIM 3455 (ATCC 26602) e incubandolo a 25-35 °C durante un periodo en el intervalo de 24 a 96 h para convertir su azucar sencillo en etanol. La produccion de etanol se controla a intervalos regulares usando GC-Ms (Shimadzu GC: 2010) acoplado a GC-MS (Qp 2010) mediante el analizador del espacio de cabeza (AOC-5000) en el que se mide como azucar reductor de la solucion fermentada para determinar la eficacia de la fermentacion. Por ultimo, el etanol generado se separa del caldo fermentado por destilacion y el material residual se usa como abono.
El bioetanol se recupera del caldo fermentado por destilacion, y aunque el etanol recuperado no es de grado combustible, se puede convertir en grado combustible concentrandolo por procedimientos tales como destilacion, purificacion con membrana, secado qmmico, o una combinacion de procedimientos.
Por ultimo, la presente invencion describe la produccion de bioetanol como subproducto usando galactosa de algas marinas rojas.
Las etapas de la invencion adoptadas en la presente invencion son i) desarrollo de un procedimiento integrado para la produccion de savia de algas marinas y etanol a partir de algas marinas rojas; ii) generacion de etanol como subproducto; iii) uso de algas marinas rojas como materia prima para la produccion de etanol; iv) uso de polisacaridos sulfatados de materia prima rica en carragenano de algas marinas rojas como fuente de etanol; v) hidrolisis de materia prima rica en carragenano con acido sulfurico para la conversion del polisacarido en monosacaridos; vi) incremento de la concentracion de azucar del hidrolizado mediante hidrolisis repetida de granulos frescos en la propia solucion; vii) uso de hidroxido de calcio para la neutralizacion; viii) eliminacion del CaSO4 insoluble generado mediante filtracion o centrifugacion; ix) desalacion de las sales solubles del hidrolizado mediante un procedimiento de electrodialisis; x) enriquecimiento del hidrolizado con fuentes de nitrogeno; xi) fermentacion del caldo con un cultivo de levadura crecido de forma activa de Saccharomyces cerevisiae, n.° NCIM 3455 (ATCC 26602); xii) recuperacion del etanol por destilacion y; xiii) uso de los descartes de electrodialisis, que contienen sulfato de potasio y sulfato sodico como fertilizante, en combinacion con CaSO4 generado durante la neutralizacion y material residual despues de la destilacion de etanol.
Ejemplos
Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustracion.
Ejemplo 1
Despues de recuperar la savia lfquida a partir de Kappaphycus fresco, los granulos residuales se lavaron y se secaron. El peso conocido de granulos secos se sacarifico con acido sulfurico diluido a temperatura elevada durante un periodo espedfico. Los azucares totales y azucares reductores se midieron en el hidrolizado mediante el procedimiento de fenol-acido sulfurico y el procedimiento de Nelson, respectivamente. Las condiciones usadas para la sacarificacion y el azucar generado durante la sacarificacion se detallan en las Tablas 1 y 2.
Tabla 1:
- Granulos de carragenano (g)
- Acido sulfurico (%)/vol Temperatura (°C) /Tiempo Azucar total (%) Azucar reductor (%)
- 10
- 0,3/200 ml 121 °C/15 min 2,51 1,02
- 0,5/200 ml
- 121 °C/15 min 2,96 1,21
- 0,7/200 ml
- 121 °C/15 min 3,34 1,37
- 10
- 0,7/200 ml 121 °C/5 min 2,33 0,95
- 121 °C/10 min
- 2,94 1,20
- 121 °C/15 min
- 3,28 1,34
- 10
- 0,7/200 ml 37 °C/1 dfa 1,32 0,31
- 37 °C/2 dfas
- 1,42 0,58
- 60 °C/1 dfa
- 2,66 1,09
- 60 °C/2 dfas
- 3,38 1,38
- 10
- 0,5/200 ml 100 °C/1 h 2,12 0,61
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Tabla 2:
- Granulos de carragenano (g)
- Acido sulfurico (%)/vol Temperatura (°C)/Tiempo Azucar reductor (%)
- 3
- 0,5/100 ml 80/1 h 0,55
- 3
- 1,0/100 ml 80/1 h 0,52
- 3
- 2,0/100 ml 80/1 h 0,55
- 3
- 0,5/100 ml 100/1 h 0,73
- 3
- 1,0/100 ml 100/1 h 0,68
- 3
- 2,0/100 ml 100/1 h 0,76
- 3
- 0,5/100 ml 100/2 h 0,81
Como se describe en el Ejemplo 1, la menor concentracion de acido y un tiempo de extraccion de materia prima rica en carragenano produjo una baja concentracion de azucar en el hidrolizado. Para conseguir una alta concentracion de azucar en el hidrolizado se realizo la extraccion repetida con materia prima fresca como se describe en el Ejemplo 2.
Ejemplo 2
Para conseguir la maxima concentracion de azucar reductor en el hidrolizado, se extrajeron 20 g de granulos lavados y secos de Kappaphycus alvarezii en 1000 ml de acido sulfurico a 0,5 %. El hidrolizado se filtro y se anadio la misma cantidad de granulo nuevo fresco al filtrado del ciclo anterior y se hidrolizo en condiciones similares. De forma similar, los ciclos se repiten tres veces. La concentracion de azucar obtenida durante cada ciclo se proporciona en la Tabla 3.
Tabla 3
- N° de ciclos
- Peso de los granulos (g) Volumen de acido/hidrolizado y concentracion Tiempo (h)/Temperatura (°C) Vol (ml) de hidrolizado recuperado Azucar reductor (%)
- 1
- 20 1000 ml/0,5 % 1/100 925 0,403
- 2
- 20 925 ml 1/100 875 0,910
- 3
- 20 875 ml 1/100 840 1,6
En este caso se recuperan 13,44 g de azucar reductor total a partir de 60 g de granulos, que es equivalente a 48 g de carragenano (despues de la eliminacion de humedad y del contenido de fibras (20 %)). Asf, el 28 % del carragenano se convierte en azucar simple.
Para incrementar la eficacia de la hidrolisis y la concentracion de azucar, se uso una mayor concentracion de acido y se repitio la extraccion, lo que produjo una mejor conversion de polisacarido en azucares simples como se describe en el Ejemplo 3.
Ejemplo 3
Para conseguir la maxima concentracion de azucar reductor en el hidrolizado, se extrajeron 50 g de granulos frescos en 1000 ml de acido sulfurico al 2,5 % y se anadieron granulos frescos al filtrado del ciclo anterior y se hidrolizaron en condiciones similares. De forma similar, los ciclos se repitieron tres veces. La concentracion de azucar obtenida durante cada ciclo se proporciona en la Tabla 4.
Tabla 4
- N° de ciclos
- Peso de los granulos (g) Volumen de acido/hidrolizado y concentracion Tiempo (h)/Temperatura (°C) Vol (ml) de hidrolizado recuperado Azucar reductor (%)
- 1
- 50 1000 ml/2,5 % 1/100 975 1,5
- 2
- 50 975 ml 1/100 900 3,3
- 3
- 50 900 ml 1/100 850 5,2
En este caso se recuperan 44,2 g de azucar reductor total a partir de 150 g de granulos, que es equivalente a 120 g de carragenano (despues de la eliminacion de humedad y del contenido de fibras (20%)). Asf, el 36,8% del carragenano se convierte en azucar simple.
Ejemplo 4
La solucion sacarificada obtenida despues de la hidrolisis acida de granulos de Kappaphycus alvarezii es de naturaleza acida, cuyo pH se ajusta a 5,5-6,5 con hidroxido de calcio solido. Los precipitados resultantes se eliminan por filtracion y el filtrado se usa para la fermentacion despues enriquecerlo con el 0,5 % de peptona y el 0,5 % de extracto de levadura, sometiendolo a autoclave e inoculandolo con levadura de panadena, adquirida en un mercado 5 local y purificada sobre agar de extracto de levadura de glucosa. Los caldos inoculados (caldo 1 y caldo 2) que tienen una concentracion inicial de azucar diferente se incuban en una agitadora durante 24 horas para proporcionar, inicialmente, condiciones aerobias y a continuacion se incuban adicionalmente en condiciones anaerobias y estaticas durante los siguientes dos dfas. Se mide la formacion de etanol cada 24 horas usando GC- MS. Ademas, se confirma la utilizacion de galactosa usando HPLC cuando se deduce la desaparicion del pico de 10 galactosa en el caldo fermentado con el tiempo de incubacion. La conversion de azucar reductor, obtenido a partir de granulos de Kappaphycus alvarezii, en etanol se explica en la Tabla 5. Se uso etanol convencional (0,1 %) como referencia para la medicion cuantitativa. Como se muestra en la Tabla 5, solo se convierte el 17-23 % del azucar inicial en etanol.
Tabla 5
- Muestra
- Conc. de azucar inicial en el caldo (%) (A) Produccion teorica de etanol Produccion real de etanol (%) en el caldo % de conversion en base a (A)
- Caldo-1
- 0,5 0,25 0,056 22,4
- Caldo-2
- 1,6 0,8 0,14 17,4
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Ejemplo 5
La solucion sacarificada obtenida despues de la hidrolisis acida de granulos de Kappaphycus alvarezii, que tiene una concentracion inicial de azucar diferente, es de naturaleza acida, cuyo pH se ajusta a 5,5-6,5 con hidroxido de calcio solido. Los precipitados resultantes eliminan por centrifugacion o filtracion y el filtrado se usa para la fermentacion 20 despues enriquecerlo con el 0,5 % de peptona y el 0,5 % de extracto de levadura, sometiendolo a autoclave e inoculandolo con levadura de panadena. El caldo inoculado se incuba en una agitadora durante 24 horas para proporcionar, inicialmente, condiciones aerobias y a continuacion se incuba adicionalmente en condiciones anaerobias y estaticas durante los siguientes dos dfas. Se mide la formacion de etanol y la utilizacion de azucar reductor cada 24 horas usando GC-MS y el procedimiento de Nelson, respectivamente. La conversion de azucar 25 reductor en etanol se presenta en la Tabla 6.
Tabla 6
- Muestra
- Conc. de azucar inicial en el caldo (%) (A) Produccion teorica de etanol Azucar utilizado (%) (B) Concentracion de etanol (%) en el caldo % de conversion en base a (A) % de conversion en base a(B)
- Caldo de fermentacion 1
- 2,3 1,15 0,96 0,184 16,0 38,0
- Caldo de fermentacion 2
- 2,82 1,41 1,1 0,1812 12,9 32,9
En este caso, solo el 32-38 % del azucar utilizado se convierte en etanol puesto que tambien se producen muchos otros productos junto con el etanol, tal como butanol, metil butanol, isobutanol, acetato de etilo, ester etflico del acido 30 propionico, etc. que aparecen como subproductos durante la fermentacion de azucares.
La levadura de panadena, usada para el experimento podna no ser adecuada para la fermentacion de etanol y por tanto se obtuvieron dos cultivos de levadura convencionales de Saccharomyces cerevisiae en NCIM, NCL, (Pune, India) y los experimentos se realizaron usandolas para identificar la levadura prometedora que se describe en el Ejemplo 6.
35 Ejemplo 6
La solucion sacarificada obtenida despues de la hidrolisis acida de granulos de Kappaphycus alvarezii, que tiene una concentracion inicial de azucar diferente, se ajusta a pH 5,5-6,5 con hidroxido de calcio solido. Se usa la solucion clara obtenida despues de la eliminacion de los precipitados para la fermentacion despues de enriquecerla con fuentes de nitrogeno tal como el 0,5 % de peptona y el 0,5 % de extracto de levadura, someterla a autoclave e 40 inocularla con dos cultivos de levadura convencionales de Saccharomyces cerevisiae, cultivo numero NCIM 3455 (ATCC 26602) y NCIM 3090 (ATCC 9763) obtenidos en NCL, Pune, India. El caldo inoculado se incuba en una agitadora durante 24 horas para proporcionar, inicialmente, condiciones aerobias al cultivo y a continuacion se incuba adicionalmente en condiciones anaerobias y estaticas durante los siguientes tres dfas. Se mide la formacion
de etanol despues de cuatro d^as usando GC-MS junto con la medicion del azucar sin utilizar. La conversion de azucar reductor en etanol se presenta en la Tabla 7.
Tabla 7
- Tiempo
- NCIM 3455 NCIM 3090
- Conc. de azucar inicial (%) Azucar utilizado (%) Conc. de etanol (%) % de conversion de etanol en base al azucar utilizado Conc. de azucar inicial (%) Conc. de etanol (%) % de conversion de etanol en base al azucar utilizado
- 96 horas
- 2,3 1,33 0,35 52,6 0,420 0,049 23,3
- En este caso, se comprueba que la cepa NCIM 3455 es superior con respecto a la formacion de etanol.
5 Ejemplo 7
Se lleva a cabo la produccion de bioetanol usando granulos de Kappaphycus alvarezii. 50 g de biomasa se hidrolizan con 1000 ml de acido sulfurico al 2,5 % a 100 °C durante una hora. El extracto se filtra y se anaden 50 g de biomasa de algas marinas frescas al filtrado y se repite la hidrolisis en condiciones similares para incrementar la concentracion de azucar. Asf, la extraccion se repite tres veces usando 150 g totales de materia prima. La 10 concentracion de azucar reductor se mide en los extractos de los tres ciclos (Tabla 8). Las soluciones sacarificadas obtenidas despues de tres ciclos se neutralizan a pH 5,5-6,0 con hidroxido de calcio solido. La solucion clara obtenida despues de la eliminacion de los precipitados de sulfato de calcio se usa para la fermentacion despues de enriquecerla con fuentes de nitrogeno tal como el 0,5 % de peptona y el 0,5 % de extracto de levadura, sometiendola a autoclave e inoculandola con cultivos prometedores de levadura convencional de Saccharomyces cerevisiae, 15 cultivo numero NCIM 3455 (ATCC 26602). El caldo inoculado se incuba en una agitadora durante 24 horas para proporcionar, inicialmente, condiciones aerobias y a continuacion se incuba adicionalmente en condiciones anaerobias y estaticas durante los siguientes dos dfas. Se mide la formacion de etanol cada 24 horas usando GC- MS junto con la medicion del azucar sin utilizar. La conversion del azucar reductor en etanol se explica en la Tabla 9. Los resultados indican que la mayona del azucar utilizado se convierte en etanol.
20 Despues de tres ciclos, se obtienen 36,82 g de azucar reductor a partir de 150 g de granulos que son equivalentes a 120 g de carragenano. Asf, el 30 % de carragenano se convierte en azucar reductor.
Tabla 8: Concentracion de azucar de extractos de granulos de Kappaphycus alvarezii
- N° de ciclos
- Peso de granulos de Kappaphycus alvarezii Volumen del extracto resultante (ml) Concentracion de azucar (%)
- 1
- 50 875 1,86
- 2
- 50 740 3,26
- 3
- 50 620 5,94
Tabla 9: utilizacion de azucar y formacion de etanol usando granulos de Kappaphycus alvarezii
- Kappaphycus alvarezii
- Dfa de fermentacion
- Azucar en el hidrolizado (%) Azucar utilizado (%) (A) Produccion de etanol (%) % de conversion en base a (A)
- 0
- 5,94 - -
- 1
- 4,4 1,54 0,99 100
- 2
- 4,2 1,74 0,89 92,78
- 3
- 4,0 1,94 0,90 83,92
25
En este caso, la mayor parte del azucar utilizado se convierte en etanol. No obstante, la eficiencia de utilizacion del azucar es muy lenta debido a la presencia de sales solubles en el hidrolizado, que interfieren con la eficiencia de fermentacion del cultivo. Para superar este problema, se uso un procedimiento de electrodialisis para reducir el contenido de sales solubles en el hidrolizado.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Ejemplo 8
Se lleva a cabo la produccion de bioetanol usando granulos de Kappaphycus alvarezii. 50 g de biomasa se hidrolizan con 1000 ml de acido sulfurico al 2,5 % a 100 °C durante una hora. El extracto se filtra y se anaden 50 g de biomasa de algas marinas frescas al filtrado y se repite la hidrolisis en condiciones similares para incrementar la concentracion de azucar. Asf, la extraccion se repite cinco veces usando 250 g totales de materia prima. La concentracion de azucar reductor se mide en el hidrolizado final. Las soluciones sacarificadas obtenidas despues de cinco ciclos se neutralizan a pH 5,5-6,0 con hidroxido de calcio solido. Las sales insolubles generadas durante el procedimiento de centralizacion se eliminan por filtracion o centrifugacion a 6500 rpm durante 15 minutos mientras que las sales solubles generadas durante el procedimiento de hidrolisis y neutralizacion se eliminan mediante el procedimiento de electrodialisis (ED). Una pila de electrodialisis se lleno con 5 pares de celdas de membranas de intercambio de cationes y aniones de tipo interpolimerico preparadas en este laboratorio. En la pila se empleo un flujo en paralelo. El area individual efectiva de la membrana de la pila era de 80 cm2. El hidrolizado de algas marinas se hizo circular a traves de los compartimentos del producto (diluato) de la pila de ED. Al mismo tiempo se hizo circular agua a traves de los compartimentos del concentrado. Todos los experimentos se realizaron con un caudal de circulacion de 3,0 l/h para cada una de las corrientes de producto y de concentrado usando bombas adecuadas. Se hizo circular una solucion diluida de sulfato sodico a traves de los compartimentos de dos electrodos al final para expulsar los productos de la electrodialisis. Se aplico un potencial electrico (7,5 V) entre los dos electrodos por medio de un rectificador AC/DC. Se prosiguio con la circulacion de las corrientes de diluato y de concentrado hasta que el rechazo de sal disuelta total alcanza el 90-95 % aproximadamente de la cantidad inicial. Se registro la tension y el TDS a intervalos de corriente regulares. Al final del experimento, se analizaron muestras de ensayo de la corriente de diluato y de concentrado para el TDS, la conductividad, el pH, cloruro, sulfato, dureza, sodio, potasio, etc. La solucion clara obtenida despues de la ED se usa para la fermentacion despues de enriquecerla con fuentes de nitrogeno tal como el 0,5 % de peptona y el 0,5 % de extracto de levadura, sometiendola a autoclave e inoculandola con cultivos prometedores de levadura convencional de Saccharomyces cerevisiae, cultivo numero NCIM 3455 (ATCC 26602). El caldo inoculado se incuba a 30 ± 2 °C en una agitadora durante 24 horas y se mide la formacion de etanol usando GC-MS junto con la medicion del azucar sin utilizar. El efecto de la electrodialisis sobre la produccion de etanol se estudia comparandolo con los resultados obtenidos con el mismo hidrolizado sin ED. El analisis del hidrolizado tratado por ED se presenta en la Tabla 10 mientras que los datos comparativos sobre la produccion de etanol a partir del hidrolizado tratado por ED y el hidrolizado no tratado por ED se presentan en la Tabla 11.
Tabla 10: Analisis del hidrolizado tratado por ED preparado a partir de granulos de Kappaphycus alvarezii
- Muestra
- Volumen (ml) TDS (ppm) Azucar(%) Conductividad (mS) Cloruro (g/l) pH
- Hidrolizado tratado por ED
- 440 3800 8,6 6,3 0,38 6,72
- Descarte 1
- 500 31000 3,5 40,3 7,36 8,65
- Descarte 2
- 550 6000 0,18 10,3 1,20 8,18
Tabla 11. Efecto de la ED sobre la produccion de etanol en Kappaphycus alvarezii
- Muestra
- Azucar inicial (%) Azucar restante en el caldo fermentado (%) Azucar utilizado (%) Produccion teorica de EtOH (%) Produccion real de EtOH (%) Eficiencia de conversion (%)
- Sin ED
- 8,8 6,2 2,8 1,4 0,175 12,5
- Tratada por ED
- 8,6 4,1 4,5 2,25 2,05 87,8
Debido al alto contenido de sulfato del carragenano, los procedimientos repetidos de hidrolisis acida y neutralizacion producen la generacion de una alta concentracion de sales solubles que interfieren con el procedimiento de fermentacion. La eliminacion de sales solubles hasta el 90 % usando el procedimiento de electrodialisis mejoro significativamente la utilizacion de azucar y su conversion en etanol.
Ejemplo 9
Se obtiene una solucion sacarificada despues de la hidrolisis acida de granulos de Kappaphycus alvarezii, que tiene una concentracion inicial de azucar diferente en la que el pH se ajusta a 5,8 con hidroxido de calcio solido. La solucion clara obtenida despues de la eliminacion de los precipitados por filtracion o centrifugacion a 7000 rpm durante 15 minutos se somete a electrodialisis para su desalacion y a continuacion se usa para la fermentacion despues de enriquecerla con una fuente de nitrogeno tal como hidrolizado de protemas preparado a partir de pasta de Jatropha que tiene el 1,25% de protema, en lugar del 0,5% de peptona y el 0,5% de extracto de levadura, sometiendola a autoclave e inoculandola con cultivos de levadura convencional de Saccharomyces cerevisiae NCIM
10
15
20
3455 (ATCC 26602). El caldo inoculado se incuba a 30 ± 2°C en una agitadora durante 24 horas, inicialmente, en condiciones aerobias al cultivo y a continuacion se incuba adicionalmente en condiciones anaerobias y estaticas durante los siguientes tres dfas. Se mide la formacion de etanol despues de cuatro d^as usando GC-MS junto con la medicion del azucar sin utilizar. Despues de la incubacion, la utilizacion de azucar era de hasta el 84 % del azucar total disponible en el hidrolizado, no obstante, el porcentaje de conversion de azucar en etanol era de tan solo el 13,5 %.
Ventajas de la presente invencion
1. La explotacion de biomasa de macroalgas para la produccion de etanol integrado con la produccion de biofertilizante en donde el etanol se genera como subproducto
2. Despues de la produccion de carragenano, se usan granulos excedentes ricos en carragenano como fuente de azucar, para la produccion de etanol
3. La obtencion de multiples productos a partir de las mismas algas marinas hace que su cultivo comercial sea economicamente mas viable
4. Hay una vasta superficie disponible en el mar para el cultivo comercial de algas marinas potenciales
5. No hay competencia por tierras agncolas y el agua y con los cultivos alimentarios
6. No son necesarias practicas agncolas precisas para el cultivo de algas marinas
7. Sin uso de fertilizantes o pesticidas y por tanto es un procedimiento de cultivo respetuoso con el medio ambiente
8. Uso de un procedimiento de electrodialisis en la eliminacion de las sales solubles presentes en el hidrolizado
9. Uso de productos de desecho, generados durante la neutralizacion y la electrodialisis y despues de la destilacion de etanol, como abono.
Claims (9)
- 51015202530354045REIVINDICACIONES1. Un procedimiento de produccion integrada de etanol y savia de algas marinas a partir de Kappaphycus alvarezii que comprende las etapas de:(a) sacarificacion que consiste en la hidrolisis de granulos ricos en carragenano lavados, obtenidos despues de la extraccion de savia de Kappaphycus alvarezii, usando acido sulfurico diluido en el intervalo del 0,5-5 %, seguido de calentamiento de la solucion en el intervalo de 80-200 °C durante un periodo en el intervalo de 3090 minutos para obtener un hidrolizado rico en azucares reductores;(b) recuperacion del hidrolizado que se obtiene en la etapa (a) por filtracion o centrifugacion en el intervalo de 5000-7000 rpm durante 15 minutos para obtener un hidrolizado;(c) incremento de la concentracion de azucar en el hidrolizado que se obtiene en la etapa (b) mediante la adicion de granulos frescos de Kappaphycus alvarezii a la solucion filtrada seguido por la repeticion de las etapas (a) y (b) hasta que se obtiene una concentracion de azucar en el intervalo del 2 al 10 %;(d) ajuste del pH del hidrolizado que se obtiene en la etapa (c) en el intervalo de 4,5 a 8,0 usando hidroxido de calcio para generar una sal insoluble de CaSO4;(e) separacion de las sales insolubles que se obtienen en la etapa (d) por filtracion o centrifugacion en el intervalo de 5000-7000 rpm para obtener un hidrolizado;(f) desalacion del hidrolizado que se obtiene en la etapa (e), para eliminar las sales solubles mediante electrodialisis;(g) enriquecimiento del hidrolizado que se obtiene en la etapa (f) con una fuente de nitrogeno en el intervalo del 0,2-2,0 % seguido de esterilizacion a 121 °C durante 15 minutos;(h) inoculacion del cultivo de levadura de Saccharomyces al hidrolizado que se obtiene en la etapa (g) y su incubacion en el intervalo de 25-35 °C durante un periodo en el intervalo de 24 a 96 horas para obtener etanol;(i) separacion del etanol que se obtiene en la etapa (h) a partir de un caldo fermentado por destilacion;(j) concentracion del etanol que se obtiene en la etapa (i) por destilacion para obtener el producto deseado.
- 2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la etapa de sacarificacion comprende la hidrolisis acida de granulos ricos en carragenano a temperatura elevada, en el que el polisacarido se hidroliza parcialmente a azucares simples tales como galactosa mediante acido sulfurico diluido en el intervalo del 0,5 % al 5,0 % a una temperatura en el intervalo de 80 a 200 °C durante un periodo en el intervalo de 30-90 minutos.
- 3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la concentracion de azucares reductores del hidrolizado final se incrementa desde el 2,0% al 10% mediante la hidrolisis repetida de granulos frescos en la misma solucion.
- 4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el CaSO4 insoluble generado durante el procedimiento de neutralizacion se elimina por filtracion al vacfo o centrifugacion en el intervalo de 5000-7000 rpm durante 15 minutos mientras que las sales solubles se eliminan por el procedimiento de electrodialisis.
- 5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el hidrolizado se enriquece con fuentes de nitrogeno tales como peptona y extracto de levadura o hidrolizado de protemas de pasta de Jatropha a una concentracion en el intervalo del 0,2-2,0 %.
- 6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el cultivo activo de Saccharomyces cerevisiae se inocula en el hidrolizado tratado en autoclave.
- 7. El procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 7, en el que el hidrolizado de algas marinas inoculado se incuba en el intervalo de 25-35 °C durante un periodo en el intervalo de 24 a 96 horas en condiciones aerobias y anaerobias para la fermentacion del azucar en etanol.
- 8. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el bioetanol se separa del caldo fermentado por destilacion.
- 9. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que se usan como abono el caldo fermentado restante despues de la destilacion, en combinacion con el CaSO4 insoluble generado durante la neutralizacion y los descartes del procedimiento de electrolisis.
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