Resumen - U

DEPARTAMENTO DE INGENERÍA
QUÍMICA Y BIOTECNOLOGÍA
FACULTAD DE CIENCIAS
MATEMÁTICAS
UNIVERSIDAD DE CHILE
FÍSICAS Y
Curso: BT3401-1 Biología y Biotecnología
Profesores: Juan Asenjo de Leuze D.
Ana Maria Tonco
Oriana Salazar
Profesora Auxiliar: Daniela Vaisman
Ayudante: Lisset Manzano Chavez
Semestre otoño 2012
Informe laboratorio n°2
Producción de etanol en una fermentación Batch
Integrantes:
Felipe Toledo Bittner*
Francisco Ulloa Ávila
Fecha de Entrega de Informe:
Martes 15 de mayo del 2012
Resumen
En este laboratorio se examinó el comportamiento de una fermentación alcohólica
producida por la levadura Saccharomyces cerevisiae a 40°C y 7 de pH. Se determinaron las
velocidades de crecimiento y producción de etanol máximas, concentraciones máximas de
biomasa y etanol, y rendimiento de biomasa y etanol en glucosa.
Durante la experiencia se observó que el etanol es un producto asociado al crecimiento.
Además se vio que el crecimiento de la levadura es inhibido por el etanol.
Introducción
Debido a la importancia de la producción de etanol en el sector agrícola, industrial y
energético, se ha vuelto necesario el estudiar las distintas tecnologías existentes para obtenerlo.
Dentro de éstas, las de mayor uso son la hidratación de etileno, utilizada en industrias, y la
fermentación, principalmente utilizada en la producción de combustibles y bebidas alcohólicas.
Vale la pena destacar que la fermentación se produce debido a la acción de agentes
biológicos (levaduras) en un medio anaeróbico con azúcares, mientras que la hidratación se realiza
con reacciones químicas entre ácido sulfúrico, agua y etileno.
En esta experiencia se estudiará la fermentación alcohólica causada por la levadura
Saccharomyces cerevisiae, y se determinarán sus parámetros, específicamente:






Velocidad de crecimiento específico máxima
Concentración máxima de biomasa
Concentración máxima de etanol
Velocidad de producción de etanol máxima
Rendimiento de etanol en glucosa
Rendimiento de biomasa en glucosa
El cultivo se realizó a 40°C con pH 7.
Materiales y métodos:
Para la realización de este experimento se utilizo un fermentador “Reactor B-2 Biostat B Braun
Biotechnology” :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Figura 1
Vaso de vidrio borosilicato con
chaqueta
Eje del agitador
Agitador de 6 hojas
Baffles
Tubo de aireación
Tubo de recolección
Sensor de espuma
Sello O-ring de tapa superior
N1 Enfriador salida gas/aire
N2 Sensor temperatura
N3 Sensor espuma
N4 Electrodo O2
N5 Entrada de acido
N6 Entrada de base
N7 Entrada de antiespumante
N8 Entrada de sustrato
N9, N10 y N16 Reserva
N11 Reserva de nivel
N12 Tubo de recolección (toma de
muestras)
N13 Electrodo de PH
N14 Entrada de aire/gas
Figura 2
N15 Ajuste bafles
N17 Ajuste membrana silicona
Si el pH aumentaba se uso HCl como acido para regular el pH, a su vez si el pH disminuía se uso el
NaOH como base.
Para llevar a cabo la fermentación dentro del reactor se uso la glucosa como azúcar y la enzima
Saccharomyces cerevisiae.
Luego de iniciada la fermentación mediante periodos de aproximadamente 3-4 horas se extrajo
una muestra del interior del fermentador mediante el tubo de recolección (N12) y con eso se
pudieron obtener los datos experimentales de la concentración de biomasa y etanol producidos
dentro del reactor además de la concentración de glucosa.
Resultados y discusión
Las concentraciones de glucosa, etanol y biomasa en el tiempo pueden verse en los
gráficos 1, 2 y 3 respectivamente. Además se adjunta en la leyenda de éstos la curva utilizada
como ajuste para encontrar los parámetros de fermentación, indicados en la tabla 1. La tabla con
los valores obtenidos puede verse en el apéndice (Tabla A.1).
Tabla 1: Estimación de los parámetros de fermentación, detalle de los cálculos se puede ver en A.2
Parámetro
Velocidad de crecimiento específico máxima max
Concentración máxima de biomasa
Concentración máxima de etanol
Velocidad de producción de etanol máxima
Rendimiento de etanol en glucosa
Rendimiento de biomasa en glucosa
Valor
0,314
5,755
86,08
4,078
0,351
0,02
Además se puede observar una superposición de las 3 curvas en el gráfico 4. En este
último gráfico se ve la inhibición en el crecimiento causada por el etanol, la cual aumenta
fuertemente a partir de la hora 24 aproximadamente. También es notorio que la producción de
etanol está asociada al crecimiento de la levadura.
Gráfico 1
Concentración de glucosa [g/L]
Concentración de glucosa durante una
fermentación a 40°C con curva de tendencia
300
250
200
150
Glucosa [g/l]
100
Expon. (Glucosa [g/l])
50
Curva de ajuste:
y = 269,86e-0,058x
0
0
10
20
30
40
Tiempo de cultivo [Horas]
50
60
Gráfico 2
Concentración de etanol [g/L]
Concentración de etanol durante una
fermentación a 40°C con curva de tendencia
100
80
60
Etanol [g/l]
40
Poly. (Etanol [g/l])
20
0
-20
0
10
20
30
40
50
Curva de ajuste:
y = -0,0495x2 + 4,2263x - 4,0456
60
Tiempo de cultivo [Horas]
Gráfico 3
Concentración de biomasa [g/L]
Concentración de biomasa durante una
fermentación a 40°C con curva de tendencia
6
5
4
3
Biomasa [g/l]
2
Poly. (Biomasa [g/l])
1
Curva de ajuste:
y = 5E-05x3 - 0,0072x2 + 0,3349x + 0,6882
0
0
20
40
Tiempo de cultivo [Horas]
60
Gráfico 4
300
6
250
5
200
4
150
3
100
2
50
1
0
0
-50
10
20
30
40
Tiempo de cultivo [Horas]
50
60
0
Concentración de biomasa [g/L]
Concentración de glucosa y etanol [g/L]
Concentración de glucosa, etanol y biomasa
durante una fermentación a 40°C
Glucosa [g/l]
Etanol [g/l]
Biomasa [g/l]
Conclusión
Luego de este laboratorio se puede concluir que la formación de biomasa y de etanol esta
directamente asociada a la acción de la enzima sobre la glucosa, al tener mayor glucosa se puede
generar más biomasa y etanol, siempre teniendo en cuenta no llegar a hacer inhibición por
sustrato.
Además se pudo observar entender mejor como funciona un fermentador con sus sistemas buffer
para la regulación del pH además de la complejidad de la extracción de una muestra para obtener
los datos experimentales ya que se deben tener los cuidados de que no se contamine la mezcla o
lo que contiene el fermentador.
Apéndice
Tabla A.1: Valores de biomasa, glucosa y etanol en el tiempo obtenidos de una fermentación
realizada a 40°C.
Tiempo [H]
0
3
6
9
12
15
20
24
28
34
37
44
48
Biomasa
[g/l]
0,8
1,4
2,5
4
4,1
4,8
5,3
5,5
5,7
5,5
5,6
5,4
Glucosa
[g/l]
245
227
178
150
122
88
65
45
32
27
22
20
Etanol [g/l]
0
7
15
40
47
61
70
78
82
84
85
85
A.2: Metodologías usadas para determinar los parámetros de fermentación.
i) Velocidad de crecimiento específico máxima: Fue determinada calculando la mayor pendiente
de la curva de ajuste de biomasa en el gráfico, evaluándola en los intervalos de tiempo usados.
ii) Velocidad de producción de etanol máxima: Se determinó de la misma forma que i), pero con la
curva ajustada del etanol.
iii) Concentración máxima de biomasa y etanol: Se obtuvo determinando el máximo valor de la
curva ajustada respectiva, evaluada en los tiempos de muestreo.
iv) Rendimiento de etanol en glucosa:
Se utilizó la siguiente fórmula: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =
𝐸𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 −𝐸𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝑆𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 −𝑆𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
Donde Eh es la concentración de etanol en la hora h (evaluando en la curva de ajuste
correspondiente), y Sh la concentración de glucosa. Evaluando en h = 0 se obtiene el instante inicial
y evaluando en h = 48 el final.
v) Rendimiento de biomasa en glucosa: Se calcula de la misma manera que iv), reemplazando los
valores del etanol por los de biomasa en los mismos instantes.
Bibliografía
Química Orgánica para Estudiantes de Ingeniería, Juan Carlos Vega de Kuyper, pág 154