desarrollo de un proceso industrial de producción de xilitol vía

DESARROLLO DE UN PROCESO INDUSTRIAL DE PRODUCCIÓN DE
XILITOL VÍA ENZIMÁTICA A PARTIR DEL BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR
Y AGAVE AZUL
Resumen ejecutivo
El proyecto se desarrolló en tres etapas: en la primera etapa se caracterizó la
hidrólisis química de bagazo de caña, bagazo de agave y cascarilla de café, así
mismo se realizó una caracterización fermentativa preliminar con levaduras que
asimilan xilosa sobre medio de cultivo sintético con xilosa. Inicialmente la
empresa CPI Ingredientes participaría con fondos concurrentes pero por
políticas de la empresa decidieron retirarse del proyecto.
En la segunda etapa se desarrolló un método de hidrólisis química para
generar mostos fermentables; se evaluó la producción de xilitol por
fermentación en hidrolizados químicos y se comparó contra medio sintético con
xilosa, se evaluó la actividad de la enzima xilosa-reductasa durante la
fermentación y se realizaron las primeras pruebas de hidrólisis enzimática
sobre bagazo de caña, bagazo de agave y cascarilla de café. Así mismo se
logro tener una carta de interés para asimilar la tecnología desarrollada por
parte de la empresa Diversificados Argovia S.A. de C.V. ubicada en Chiapas.
En la última etapa, debido a que la producción de xilitol vía enzimática no es
factible económicamente, se le dio un giro al proyecto y se optó por desarrollar
un método de producción de xilitol vía fermentativa, para lo cual se optimizó un
método de hidrólisis combinando un pretratamiento térmico (explosión de
vapor) seguido de un tratamiento enzimático.
Una vez optimizada la hidrólisis se desarrolló un proceso para la obtención de
bioetanol y xilitol con el mismo hidrolizado mediante fermentaciones
secuenciadas y utilizando una levadura seleccionada de la etapa anterior y dos
de la colección del Instituto Tecnológico de Veracruz.
Para la distribución de partícula de la molienda de bagazo de caña y esquilmo
para la obtención del coctel enzimático por fermentación sólida, se utilizaron
molinos de cuchillas. Una vez molidos los sustratos se tamizaron con las mallas
de 18, 30, 40, 50, 100.
A continuación se realizó la comparación hidrólisis química contra hidrólisis
enzimática de los sustratos. Se realizaron hidrólisis químicas en condiciones
diferentes utilizando dos sustratos más; esquilmo de caña y cascarilla de café.
Se utilizó HCl y H2SO4 a una concentración de 1 N, con una relación
líquido/sólido 14:1 para los cuatro sustratos, Hoja de esquilmo, Bagazo de
caña, Bagazo de agave y Cascarilla de café.
La fermentación en medio sólido se realizó con bagazo molido de la malla 30
del tamizado para proceder a la extracción de los cocteles enzimáticos y se
realizó la actividad xilanasa y celulasa de los extractos utilizando las soluciones
de carboximetil celulosa y xilano junto con los extractos obtenidos de las
fermentaciones sólidas con y sin jugo de caña, los azúcares liberados de cada
polisacárido se midieron por el método de DNS.
Al realizar la hidrólisis de los diferentes substratos se observo que los extractos
enzimáticos obtenidos funcionaron mejor en bagazo de caña, seguido de
esquilmo de caña, en bagazo de agave fue menor la hidrólisis y en cascarilla
de café no funcionó, por lo que falta optimizar la obtención de extractos
enzimáticos específicos para cada substrato. El extracto enzimático que mejor
funcionó es el obtenido de bagazo de caña más jugo.
En cuanto a las fermentaciones para la producción de xilitol, éstas se realizaron
con las cepas Candida shehatae y Pichia stipitis, sobre los hidrolizados
químicos con las condiciones de hidrólisis de la etapa anterior (bagazo de caña
y bagazo de agave), inoculando 1 x 10 6 celulas / ml a 30 C y 200 r.p.m. Pero
ninguna de las dos cepas tuvo actividad de xilosa reductasa extracelular, por lo
que fue necesario evaluar la actividad intracelularmente. Para el rompimiento
se preparó una solución que consiste en 50 ml Tris-HCl a pH=7.5 con 30 mg de
inhibidor de proteasa (fluoruro de fenil-metil-sulfonilo, PMSF).
La actividad de xilosa-reductasa fue mayor para la cepa Candida sehatae y se
presentó la actividad máxima a las 72 horas, mientras que para la cepa Pichia
spitipis la actividad máxima se presentó a las 120 horas.
Finalmente el investigador presenta el nuevo método de hidrólisis química, el
cual consiste en poner 100 gramos de bagazo de caña, bagazo de agave y
cascarilla de café, los cuales fueron hidrolizados agregándoles 1400 ml de una
solución de ácido sulfúrico 1N y fueron sometidos a un tratamiento térmico (121
C por 4 horas), y después neutralizados con sosa 2N hasta alcanzar un pH de
4.5, posteriormente se les agregó 5 g/l de urea y 0.25 g/l de extracto de
levadura. Las fermentaciones se realizaron a 30 C y 200 rpm. Se determinó
por el método de DNS consumo de los azúcares reductores totales y por HPLC
el xilitol.
Demanda o problemática que atiende
Desarrollar un proceso industrial de producción de xilitol vía enzimática con el
bagazo de caña de azúcar y agave azul.
Resultados obtenidos y/o descripción. Características de la tecnología
generada
Producción de bioetanol y xilitol por fermentaciones secuenciadas a partir de
hidrolizados enzimáticos de residuos lignocelulósicos.
Se obtuvo un proceso novedoso para el cual se sometió una solicitud de
patente.
Condiciones de hidrólisis de diferentes substratos (bagazo de caña y agave)
para la liberación de xilosa.
Condiciones de fermentación en las cuales la enzima xilosa-reductasa tiene la
mayor actividad.
Desarrollo de un proceso alternativo con respecto a la producción del xilitol vía
enzimática.
Impactos
Se logró obtener un proceso mediante el cual se obtienen bioetanol y xilitol a
partir de hidrolizados de bagazo de caña, bagazo de agave y cascarilla de café.
Costos estimados de la aplicación de los resultados y/o tecnología generada
No es posible obtener una estimación de costos de este proceso alternativo
para la producción de xilitol y bioetanol.
Ámbito de aplicación
Centro Occidente y Sur Sureste.
Información adicional o comentario
Se desarrolló un nuevo método de hidrólisis de bagazo de caña y agave,
basado en la combinación de pretratamiento térmico y posterior hidrólisis
enzimática. Lo anterior debido a que en las fermentaciones realizadas con las
cepas Candida shehatae, Candida MAGNOLIAE y Pichia stipitis en los mostos
que se derivaron de las hidrólisis química fueron bajos. También se utilizaron
otras cepas para buscar el incremento en la producción de xilitol. Cabe resaltar
que se optó por desarrollar un método de producción vía fermentativa, ya que
el
método
enzimático
que
utiliza
la
enzima
xilosa-reductasa
es
económicamente más costoso, primero porque la enzima producida es
intracelular y tiene que ser extraída por rompimiento de levaduras, segundo,
porque la conversión de xilosa a xilitol realizada por esta enzima necesita de
los cofactores NADH o NADPH, los cuales son bastante caros para el costo
final del producto (xilitol)
Clave del proyecto: SAGARPA 2004-C01-139
Sistema Producto y/o línea estratégica de atención: Caña de azúcar;
transformación; industrialización
Investigador: doctor JAVIER PLACIDO ARRIZÓN GAVIÑO
Institución: Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del
Estado de Jalisco, A.C. (CIATEJ)