PRODUCCIÓN DE BIOETANOL EMPLEANDO FERMENTACIÓN TRADICIONAL Y EXTRACTIVA A PARTIR DE JUGO DE FIQUE Oscar Vasco-Echeverri Margarita Enid Ramírez-Carmona Yesid Vélez-Salazar María Isabel Giraldo-Ramírez Centro de Estudios y de Investigación en Biotecnología - CIBIOT

Fique: Industria de la cabuya PLANTA NATIVA DE LA REGIÓN ANDINA INTRODUCCIÓN Fique: Industria de la cabuya Fibra 4% PLANTA NATIVA DE LA REGIÓN ANDINA DESFIBRADO Bagazo 29% SUELO CEMENTO AGROTEXTILES TELA CURADO DE CONCRETO SACOS PARA EMPAQUES DE ALIMENTOS AGRÍCOLAS Porcentaje sin valoración económica. Son 518.4 toneladas de residuos de la cosecha nacional en 2003 Jugo 67%

Industrialización y otros usos de la fibra INTRODUCCIÓN Bioplaguicidas Industrialización y otros usos de la fibra Intermediarios esteroidales Etanol Fibra 4% Etanol Bagazo 29% Celulasas Jugo 67% Saponinas Captación de plaguicidas Vitamina E > 80.000 m3 / año Porcentaje sin valoración económica. Son 518.4 toneladas de residuos de la cosecha nacional en 2003 BIOETANOL

INTRODUCCIÓN FT: 50 – 80% Gastos energéticos FERMENTACIÓN EXTRACTIVA Solvente Extractor Centrifugación Fermentación Destilación Medio de cultivo µo Tratamiento Control en la inhibición del µo Alta productividad Remoción del factor de estrés Altas concentraciones de azúcares Menos agua en el sistema Menos requerimientos energéticos SISTEMA CONTINUO O FED-BATCH

MATERIALES Y MÉTODOS AISLAMIENTO DE MICROORGANISMOS Identificación Conservación -20 ± 2 °C CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA Azúcares N µ, ρ Metales pesados pH ST, SV DBO5

MATERIALES Y MÉTODOS MEDIO DE CULTIVO COMPUESTO g/L Tabla 1. Suplemento del Jugo de Fique1 COMPUESTO g/L Extracto de levadura 5 K2HPO4 MgSO4.7H2O 0.7 NH4Cl 1.5 KCl 1.2 Jugo de fique con suplemento Jugo de fique sin suplemento 1. RIVERA, E et al. Evaluation of optimization techniques sinestimation: Application to ethanol fermentation considering the effect of temperatura. En: Process Biochemistry 41 (2006) 1682–1687

Cuantificación de Etanol por HPLC MATERIALES Y MÉTODOS FERMENTACIÓN TRADICIONAL 25 30 35 T (°C) 4.0 4.5 pH C. lusitaniae S. cerevisiae µo Muestra 150 rpm 6000 rpm 15 min Cuantificación de Etanol por HPLC Separación

MATERIALES Y MÉTODOS Clavispora lusitaniae Jugo de Fique Ácido Oleico FERMENTACIÓN EXTRACTIVA Clavispora lusitaniae Jugo de Fique Ácido Oleico 33 % Solvente Extractor Microorganismo Fuente de Carbono

MATERIALES Y MÉTODOS Separación Solvente extractor / Caldo fermentado Recuperación de Etanol Centrifugación en continuo Destilación a baja presión Destilación simple

MATERIALES Y MÉTODOS Separación Solvente extractor / Caldo fermentado Recuperación de Etanol Centrifugación en continuo Destilación simple Destilación a baja presión Presión atmosférica Temperatura (oC) Discos (mm) 0.5 2.5 85 kPa 70 / 80 / 90 Flujo (L/min) Temperatura ebullición Presión (mbar) 15 50 96 oC 60 / 80 / 100

RESULTADOS Y ANÁLISIS AISLAMIENTO DE LOS MICROORGANISMOS Muestra UPB Homología con % Homología Levadura Clavispora lusitaniae 95-100% Hongo Mucor sp. 94-99% Bacteria 1 Ochrobactrum sp. 98-100% Bacteria 2 Arthrobacter sp. 97-99% Mucor sp. Clavispora lusitaniae Arthrobacter sp

RESULTADOS Y ANÁLISIS 41 g/L CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA Parámetro pH 4.25 Sólidos totales (g/L) 68.76 DBO5 (g/L) 11.78 DQO (g/L) 86.60 Metales (ppm) Calcio 1226.91 Magnesio 141.52 Zinc 0.98 Hierro 10 Azúcares (g/L) Glucosa 11.02 Fructosa  28.37 Sacarosa  1.73 Viscosidad (cP) 1.56 Densidad (g/mL) 1.042 Nitrógeno (%) 0.35 Cenizas (%) 1.34 Grasa total (%) 0.86

RESULTADOS Y ANÁLISIS Figura 1. Evaluación de la producción de etanol con los dos microorganismos seleccionados a 25°C 10.68 g/L 5.26 g/L 0.47 g/L 0.9 g/L

RESULTADOS Y ANÁLISIS Figura 2. Influencia de los nutrientes en la fermentación

RESULTADOS Y ANÁLISIS Figura 3. Influencia de la temperatura en la fermentación (C. lusitaniae)

RESULTADOS Y ANÁLISIS YPS (g/g)= 0.58 YPS (g/g)= 0.55 Figura 4. Cinética de la fermentación (30 °C) Hincapié, 2008 YPS (g/g)= 0.58 YPS (g/g)= 0.55

RESULTADOS Y ANÁLISIS Estadísticas de algunos cultivos con respecto al Bioetanol CULTIVO Rendimiento de Etanol (L/ton) Rendimiento del cultivo (ton/ha) Productividad de Etanol (L/ha) Caña 70 4900 Yuca 180 20 3600 Sorgo azucarado 86 35 3010 Trigo 340 1.5 510 Maíz 370 6.0 2220 Cebada 250 2.5 625 Papas 11 25 275 Arroz 430 1075 Uvas 130 3250 Boniatos 125 15 1875 Jugo Fique 13 260

RESULTADOS Y ANÁLISIS Figura 5. Cinética de los azúcares en la fermentación extractiva

RESULTADOS Y ANÁLISIS Figura 6. Producción de bioetanol en la fermentación extractiva

(Solv. Extractor + Etanol) RESULTADOS Y ANÁLISIS CENTRIFUGACIÓN EN CONTINUO Livianos (Solv. Extractor + Etanol) Pesados (Agua + Etanol) Flujo: 32.47 L/min Diámetro disco: 1.0 mm

Interacciones Puentes de Hidrógeno RESULTADOS Y ANÁLISIS DESTILACIÓN SIMPLE Presión Atmosférica Solución acuosa Solvente apolar Biomolécula Surfactante Micela reversa Interacciones Puentes de Hidrógeno Sistemas micelares

% Recuperado Centrifugación-Destilación RESULTADOS Y ANÁLISIS DESTILACIÓN A BAJA PRESIÓN ENSAYO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 70ºC 80ºC 90ºC 100 mb 80 mb 60 mb % Recuperado Centrifugación-Destilación 64,61 66,13 39,23 40,26 31,61 30,07 27,13 26,76 23,13

RESULTADOS Y ANÁLISIS Fermentación Tradicional Fermentación Extractiva PRODUCCIÓN (g/L) 12.1 8.03 RENDIMIENTO Yps(g/g) 0.58 0.28 Glucosa se incrementó el 25.53%, con Yps=0.577

CONCLUSIONES Se obtuvo etanol a partir de jugo de fique empleando Clavispora lusitaniae y Saccharomyces cerevisiae en una cantidad de 10.68 g/L y 5.26g/L respectivamente, a 25 ºC, 150 rpm y 48 h de fermentación La levadura Clavispora lusitaniae produce un 103 % más etanol que Saccharomyces cerevisiae empleando jugo de fique como sustrato La temperatura más adecuada para realizar el proceso fermentativo empleando Clavispora lusitaniae es de 30 ºC, obteniéndose 12.3 g/L de etanol luego de 48 horas.

CONCLUSIONES Se obtuvo 7.8 g/L de bioetanol por fermentación extractiva después de realizar los procesos de separación. El rendimiento en la producción de Etanol por fermentación extractiva acoplado al sistema de separación/purificación, utilizando jugo de fique como sustrato, Ácido Oleico como solvente extractor y C. lusitaniae, fue de 0.58. La FT produjo un 50.7% más Bioetanol que la FE.

GRACIAS Oscar Hernán Vasco Echeverri | cPhD | Docente-Investigador | Ingeniería Química | CIBIOT | Universidad Pontificia Bolivariana | Circular 1 No.70-01, Bloque 11 Medellín, COLOMBIA Tel: +57(4) 448 8388 Ext.14062 oscar.vasco@upb.edu.co