Obtención de biobutanol a partir del residuo sólido de la industria cervecera. Estudio de alternativas y optimización de variables de proceso

Resumen

La contaminación generada por los procesos industriales y el transporte es uno de los principales problemas de la sociedad actual. El consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero crecen anualmente a pesar de los esfuerzos por parte de gobiernos y organismos reguladores para reducir este aumento. En Europa, el transporte genera anualmente el 30% de los gases de efecto invernadero, representando el CO2 más del 78% de ellos. Otro de los grandes problemas es el aumento y la fluctuación del coste de las fuentes de energía, especialmente del petróleo y sus derivados. El incremento en costes y en gases contaminantes ha favorecido la recuperación de métodos de producción de combustibles renovables empleados años atrás. Uno de estos métodos es la fermentación de materia vegetal para la obtención de biocombustibles líquidos como es el butanol, obtenido mediante procesos de fermentación anaerobia, con bacterias del género Clostridium. En esta Tesis Doctoral se ha utilizado bagazo de cerveza como fuente de azúcares que pueden ser fermentados, para la obtención de butanol. La producción mundial anual de bagazo de cerveza se estima en 39 millones de toneladas, de las cuales 0,7 Mt/año se producen en España. Una de sus ventajas es que se encuentra disponible a lo largo del año y en gran cantidad, al contrario de los cultivos convencionales. El bagazo de cerveza es un material lignocelulósico tradicionalmente utilizado como alimento para ganado vacuno y otros rumiantes, debido a su alto contenido en carbohidratos y proteínas y su bajo coste. El alto contenido en celulosa y hemicelulosa (en torno al 50% m/m MS) lo hace atractivo para la producción de biocombustibles como hidrógeno, biogás, etanol y butanol mediante procesos de fermentación. El elevado contenido en lignina del bagazo de cerveza (entre un 12 y un 28% m/m MS) hace necesario un proceso de pretratamiento para modificar la estructura lignocelulósica, permitiendo a las enzimas acceder a la celulosa y hemicelulosa durante el proceso de sacarificación. Una vez llevado a cabo el pretratamiento, es necesario realizar una hidrólisis enzimática para transformar las cadenas de celulosa en monosacáridos que puedan ser metabolizados por el microorganismo. Durante la realización del Trabajo de Fin de Máster con título “Valorización de bagazo de la industria cervecera mediante su transformación en biocombustibles avanzados: biobutanol.” se determinaron las condiciones idóneas para el pretratamiento del bagazo de cerveza. Se realizaron experimentos en el intervalo comprendido entre pH 1 y 12, a 121⁰C, 30 minutos de reacción y 5% m/m MS de carga de sólidos. A pH 1 se alcanzaron recuperaciones de monosacáridos conjunta de pretratamiento e hidrólisis enzimática del 87,7% con un consumo de catalizador de 0,05 g de H2SO4/g MS. A pH 12 se alcanzó una recuperación de monosacáridos conjunta de pretratamiento e hidrólisis enzimática del 38,4% con un consumo de catalizador de 0,03 g de NaOH/g MS. Con estos resultados se decidió establecer como condiciones de pretratamiento pH 1, 121⁰C y 30 minutos debido a que permite obtener unas recuperaciones de monosacáridos altas a la vez que se mantiene la producción de inhibidores en niveles bajos. En esta Tesis Doctoral, se estudió, en primer lugar, la fermentación a partir de los líquidos obtenidos en el pretratamiento ácido a pH 1 y en la posterior hidrólisis enzimática del bagazo pretratado. Como se comentó anteriormente, se realizó el pretratamiento a pH 1, utilizando cargas de sólidos en el pretratamiento del 5 y el 15% m/m MS para determinar la influencia de este parámetro sobre la recuperación de monosacáridos y la posterior fermentación. En la hidrólisis enzimática (realizada al 10% m/m MS) se utilizó bagazo pretratado lavado y sin lavar para determinar la influencia de este proceso de detoxificación sobre la producción de butanol. El lavado del bagazo pretratado reduce la concentración de inhibidores, lo que tuvo como consecuencia la obtención de mayores concentraciones de butanol al fermentar los hidrolizados enzimáticos, observándose un aumento de la concentración de butanol de 4 g/L a 6 g/L. El líquido de pretratamiento obtenido con una carga de sólidos del 5% presentó valores bajos de monosacáridos (14 g/L aprox.), lo que dio lugar a concentraciones de butanol bajas (2,5 g/L aprox.). El líquido de pretratamiento obtenido al 15% de carga de sólidos presentó valores altos de monosacáridos (43 g/L aprox.) lo que permitió obtener concentraciones de solventes altos (7 g de butanol/L aprox.). El pretratamiento al 15% m/m MS de carga de sólidos permitió liberar grandes cantidades de azúcares tanto en los líquidos de pretratamiento como en la posterior hidrólisis enzimática dando lugar a rendimientos globales de 75 g de butanol/kg bagazo y 95 g ABE/kg bagazo. En este capítulo se obtuvieron dos conclusiones principales: que el bagazo de cerveza es un sustrato adecuado para la producción de butanol y que para la obtención de concentraciones altas de monosacáridos es necesario realizar el pretratamiento e hidrólisis enzimática con altas cargas de sólidos. Una de las consecuencias de estos procesos que usan altas carga de sólidos es la producción de compuestos inhibidores que afectan de manera negativa al proceso de fermentación. En segundo lugar, se exploró la influencia de la carga de sólidos en la etapa de hidrólisis enzimática en la liberación de azúcares y en la producción de compuestos inhibidores además de la influencia de varios procesos de detoxificación sobre la posterior etapa de fermentación. En estos experimentos se utilizó una carga de sólidos en el pretratamiento del 15% m/m MS y una carga de sólidos en hidrólisis enzimática del 10, 15 y 20% m/m MS. La detoxificación fue llevada a cabo con óxido de calcio (overliming), carbón activo o una combinación secuencial de ambos procesos. Al fermentar los líquidos de pretratamiento, las concentraciones de butanol y ABE más altas se obtuvieron al llevar a cabo la detoxificación con carbón activo (11,5±0,1 g/L butanol, 16,2±0,2 g/L ABE, consumo de azúcares del 95,1%). Respecto a los hidrolizados enzimáticos se obtuvieron resultados diversos. Utilizando una concentración del 10% m/m MS de carga de sólidos no se observaron diferencias entre las alternativas analizadas, concluyendo que la concentración de inhibidores presentes es lo suficientemente baja como para que no sea necesario un proceso de detoxificación. Con una concentración del 15% m/m MS de carga de sólidos fue necesario detoxificar, obteniéndose los mejores resultados cuando se empleó el proceso de detoxificación secuencial (11,6±0,2 g/L butanol, 18,3±0,3 g/L ABE, consumo de azúcares del 89,6%). Finalmente, la operación con un 20% m/m MS de carga de sólidos no produjo butanol en ningún caso, indicando que la concentración de compuestos inhibidores es muy elevada, siendo necesario procesos de detoxificación más intensos para conseguir eliminar inhibidores y producir butanol. Los mejores resultados (líquidos de pretratamiento detoxificados con carbón activo e hidrolizados enzimáticos detoxificados secuencialmente, obtenidos con una concentración de biomasa del 15% m/m MS) arrojaron una producción global de 99,9 g de butanol/kg bagazo y 146,5 g ABE/ kg bagazo, mejorando un 40% los resultados alcanzados sin llevar a cabo procesos de detoxificación. Con los resultados obtenidos, se decidió llevar a cabo la optimización de la etapa de hidrólisis enzimática. Para ello, se realizó un diseño de experimentos considerando como principales factores la carga de sólidos (15 -30% m/m MS) y la carga de enzimas (10 -20 FPU/g MS), con el fin de maximizar la liberación de monosacáridos y minimizar la generación de compuestos fenólicos. Se llevó a cabo un pretratamiento ácido diluido previo a la hidrólisis enzimática en las condiciones previamente establecidas. El óptimo encontrado (carga de sólidos del 28,1% m/m MS y carga de enzimas de 15,4 FPU/g MS) permitió alcanzar concentraciones de 47,0 g glucosa/L, 16,8 g xilosa/L y 1,2 g fenólicos/L. Los hidrolizados enzimáticos fueron sometidos posteriormente a un proceso de fermentación sin detoxificar y después de detoxificación con carbón activo. Las concentraciones de compuestos fenólicos obtenidas fueron moderadas, con lo que en este caso no se observaron diferencias al detoxificar los hidrolizados. Se obtuvieron producciones máximas de 31,0 g butanol/kg bagazo pretratado y 46,4 g ABE/kg bagazo pretratado. Al finalizar el proceso de fermentación se obtiene un caldo en el que el biobutanol está diluido, haciendo necesario un proceso de separación para conseguir que tenga la pureza necesaria que requiere su comercialización. Tradicionalmente se han utilizado procesos de separación basados en destilación, que consume grandes cantidades de energía. En esta tesis doctoral se ha explorado una de las alternativas que consumen menos energía y que tiene una de las mejores perspectivas de implantación a escala industrial, el uso de procesos simultáneos de fermentación y recuperación mediante gas-stripping. La recuperación de solventes mediante gas-stripping integrado con la fermentación permite reducir la concentración de butanol en el reactor y evitar la inhibición por producto, a la vez que se obtienen condensados con altas concentraciones de butanol que permiten reducir los costes de separación posteriores al proceso. Si además se añade alimentación al proceso (fermentación en modo fed-batch), se consigue aumentar el tiempo de operación, así como la producción de solventes. Para la fermentación se utilizó como sustrato el hidrolizado enzimático de bagazo de cerveza pretratado, mientras que para alimentar el reactor se utilizaron medios modelo (disoluciones de glucosa, xilosa o una mezcla de ambas) así como el líquido de pretratamiento. Los medios modelo se alimentaron mediante pulsos mientras que el líquido de pretratamiento se alimentó de forma continua con el fin de integrar todas las corrientes obtenidas en el proceso. Ambas estrategias de alimentación permitieron incrementar la concentración de solventes, en comparación con la que se obtiene en el proceso de fermentación convencional en discontinuo (6 g/L de butanol en fementación discontinua frente a concentraciones comprendidas entre 10,2 y 13,2 g/L de butanol acumulado para los experimentos fed-batch con stripping acoplado). Los rendimientos (Ybut entre 0,14 y 0,2, YABE entre 0,20 y 0,29 g/g) y productividad (Qbut entre 0,08 y 0,11, QABE entre 0,12 y 0,15 g/L·h) son similares a los obtenidos en un proceso batch, no observándose mejoras en estos parámetros. Los condensados del gas-stripping presentaron concentraciones elevadas de solventes en todos los casos, pero la alimentación continua presentó unas concentraciones más estables que la alimentación por pulsos (65 g/L de media frente a 50 g/L de media para la alimentación por pulsos de glucosa), consumiéndose prácticamente la totalidad de los monosacáridos presentes en el reactor (99,1%). Esta estrategia permite aprovechar el líquido obtenido durante el pretratamiento ácido diluido del bagazo de cerveza, mediante su co-fermentación con los hidrolizados enzimáticos, lo que ayuda a reducir los costes de capital, al disminuir el número de fermentadores necesarios. Como conclusión general de la Tesis Doctoral se puede afirmar que el bagazo de cerveza es un sustrato idóneo para la producción de biocombustibles de segunda generación, permitiendo obtener concentraciones de butanol elevadas mediante el uso de pretratamientos e hidólisis enzimáticas con altas cargas de sólidos. El uso de procesos integrados de fermentación y separación mediante gas-stripping aumentó la concentración de butanol en los caldos, lo que permite reducir los costes energéticos de purificación del butanol.