RENDIMIENTO DE AZÚCARES REDUCTORES A PARTIR

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y CONSERVACIÓN
DE LA NATURALEZA
ESCUELA DE CIENCIAS FORESTALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE LA MADERA
RENDIMIENTO DE AZÚCARES REDUCTORES A PARTIR
DE Nothofagus pumilio (Poepp. et Endl.) Krasser
SOMETIDO A UN PRETRATAMIENTO BIOLÓGICO
PARA LA PRODUCCIÓN DE ETANOL.
CONSUELO ZENAIDA FRITZ FUENTES
Profesores guías: M.Sc. René Carmona C.
Dra. María Elena Lienqueo C.
3 Diciembre, 2009.
Situación energética mundial.
„
Petróleo: no es renovable.
„
Problemas medioambientales.
„
Crecimiento económico.
Hidroeléctrica Otras fuentes
Nuclear
renovables
2%
6%
1%
Petróleo
Biomasa y
35%
residuos
10%
Energías renovables no
convencionales (ERNC)
Gas
21%
Carbón
vegetal
25%
Fuente: FAO, 2008.
Biomasa
Situación energética mundial.
Biocombustibles:
Sólidos
Leña
Pellets
Briquetas
Líquidos
Bioetanol
Biodiésel
Gaseosos
Biogás
Ciclo de vida, emisiones neutras
Biocombustibles en Chile.
„
Un 75% combustibles líquidos, un 98% a partir de
petróleo importado (ODEPA, 2007).
„
Diversificación matriz energética.
„
Mayor independencia y autonomía.
„
Promover ERNC: 2% y 5% de bioetanol o biodiésel
mezclado con gasolina.
„
Proyecto Domeyko-Energía
„
Proyecto Finlandia CCF05
Recurso forestal chileno.
Lenga.
Bosques manejados
silviculturalmente: cortas de
protección (Schmidt et al., 2003)
Bajos aprovechamiento
industriales (Schmidt et al., 1992)
Madera aserrada, cepillada,
muebles, productos encolados
y leña.
Residuos
(biomasa)
Biocombustibles
(bioetanol 2ª
generación)
Fuente: INFOR, 2007.
Bioetanol.
„
„
¾
¾
¾
Fermentación de
azúcares presentes
en la materia prima.
3 usos:
Aditivo gasolinas
Directo como
combustibles
Mezclado en
diferentes
proporciones.
Reducción emisiones gases efecto invernadero
Bioetanol 2ª generación.
Preparación
sustrato
Pretratamiento
Lignocelulósicos
Hidrólisis
Físicos
Ácida
Químicos
Enzimática
Físico-químicos
Biológicos
Fermentación
Destilación
Recuperación
Etanol y
coproductos
Pretratamiento biológico.
Disociar el complejo ligninapolisacáridos
Celulosa reduzca grado de
cristalinidad
Aumento de la celulosa amorfa
Ventajas
No se requieren
instalaciones ni equipos
costosos
Bajo requerimiento
energético
Condiciones ambientales
positivas
Fuente: Oliva (2003), Kumar et al. (2009)
Hongos pudrición blanca (HPB).
Capaces de degradar todos los
componentes de la pared celular.
Preferencia por la lignina.
Pudrición alveolar.
2 patrones morfológicos de
degradación:
Degradación simultánea.
Hifas atravesando células
Degradación selectiva.
Hidrólisis enzimática celulosa.
Objetivo general.
„
Evaluar el rendimiento de azúcares reductores
obtenidos a partir de residuos de Nothofagus
pumilio (Poepp. et Endl.) Krasser previamente
tratado con hongos de pudrición blanca, para la
producción de bioetanol.
Objetivos específicos.
„
„
Analizar el rendimiento de azúcares reductores
luego de una sacarificación enzimática, a partir de
Nothofagus pumilio (Poepp. et Endl.) Krasser
tratado con tres hongos de pudrición blanca y
sometido a tres tiempos de ataque, 30, 45 y 60
días.
Estimar la cantidad de alcohol producido con aquel
tratamiento que presente el mejor rendimiento de
azúcares reductores.
Materiales.
Madera:
Residuos aserradero de lenga (especie latifoliada),
con granulometría adecuada mediante molino de
martillo.
Hongos HPB:
Stereum hirsutum, Ganoderma applanatum y
Aurantioporus albidus.
Materiales.
Celulasas
Endo-β-glucanasas
Exo-β –glucanasas
β - glucosidasa
Complejo enzimático, sinergismo
Celluclast® 1,5L (C2730), celulasas de Trichoderma reesei (ATCC 26921)
Novozyme® 188 (C6105), celobiasa obtenida de Aspergillus níger
Reactivos
Ácido dinitrosalicílico (DNS)
Kit de glucosa
MÉTODO
Preparación sustrato
Preparación hongos
Pretratamiento biológico
Estimación residuos
de lenga
Hidrólisis enzimática
Azúcares reductores
Glucosa
Rendimiento teórico
bioetanol
Estimación teórica
bioetanol
Preparación sustrato.
Astillas lenga.
Molino de martillo
Residuos lenga granulometría
aprox 1 mm, 1-3 mm, 5 mm.
Preparación hongos.
Reproducción en medio de
cultivo agar-malta.
Semillas trigo, 3% p/p
Esterilización (15 psi, 20 min)
Esterilización (15 psi, 20 min)
Inoculación
Inoculación
Incubación
Incubación
MÉTODO
Preparación sustrato
Preparación hongos
Pretratamiento biológico
Estimación residuos
de lenga
Hidrólisis enzimática
Azúcares reductores
Glucosa
Rendimiento teórico
bioetanol
Estimación teórica
bioetanol
Pretratamiento biológico.
3 hongos.
3 tiempos estudio:
30, 45 y 60 días.
CH = 75%
Temperatura: 25 ºC.
Determinación pérdida de peso:
P/P=(Pi-Pf)/Pi x 100
Análisis estadístico bifactorial, α = 1%
MÉTODO
Preparación sustrato
Preparación hongos
Pretratamiento biológico
Estimación residuos
de lenga
Hidrólisis enzimática
Azúcares reductores
Glucosa
Rendimiento teórico
bioetanol
Estimación teórica
bioetanol
Hidrólisis enzimática.
Enzima-sustrato: 10% p/v.
Carga enzimática: 25 FPIU/g seco.
1 g seco residuos lenga, celulasas y
buffer acetato 0,05 M pH 5.
Agitador orbital durante 48 hr a 50 ºC
y 250 rpm.
Medición azúcares reductores mediante
método DNS.
Medición glucosa a través de kit comercial.
Análisis estadístico bifactorial, α = 1%
MÉTODO
Preparación sustrato
Preparación hongos
Pretratamiento biológico
Estimación residuos
de lenga
Hidrólisis enzimática
Azúcares reductores
Glucosa
Rendimiento teórico
bioetanol
Estimación teórica
bioetanol
Estimaciones.
Disponibilidad residuos lenga.
Recopilación estudios en Chile.
Obtención teórica bioetanol.
Rendimiento teórico:
Levadura o microorganismo
C6H12O6
2C2H5OH + 2CO2 + ε
Glucosa
Etanol
1g
0,511 g + 0,489 g
Resultados
Pérdida de peso (%).
Pérdida de peso [%]
30
25
20
15
10
5
0
Stereum hirsutum
Ganoderma applanatum
Aurantioporus albidus
30 días
3,03
12,56
2,88
45 días
4,43
16,36
3,73
60 días
10,10
28,18
5,04
Hongo
Valores corresponde a un promedio de 3 repeticiones
Influencia del hongo y tiempo.
Concentración azúcares reductores [g/L]
Azúcares reductores.
30
25
20
15
10
5
0
Stereum hirsutum
Ganoderma
applanatum
Aurantioporus albidus
Testigo
30 dias
6,37
20,73
13,12
5,17
45 días
6,92
23,30
12,21
5,98
60 días
12,90
24,93
14,32
4,36
Hongo
Valores corresponde a un promedio de 3 repeticiones
Influencia del hongo
Concentración glucosa [g/L]
Glucosa.
14
12
10
8
6
4
2
0
Stereum hirsutum
Ganoderma
applanatum
Aurantioporus albidus
Testigo
30 dias
1,43
6,72
4,00
2,06
45 días
2,50
8,66
4,29
1,93
60 días
5,93
11,81
6,87
1,40
Hongo
Valores corresponde a un promedio de 3 repeticiones
Ganoderma applanatum: > pérdida de peso, > azúcares reductores y > glucosa
Degradación selectiva
Participación glucosa en el total de azúcares.
30
Concentración azúcares [g/L]
Azúcares reductores
Glucosa
25
20
15
10
47%
5
46%
37,2%
48%
0
30 días 45 días 60 días 30 días 45 días 60 días 30 días 45 días 60 días 30 días 45 días 60 días
Stereum hirsutum
Ganoderma
applanatum
Aurantioporus albidus
Testigo
Mas del 50% de los azúcares no están siendo cuantificados
Xilosa es el segundo más abundante.
Estimación residuos potenciales
de lenga.
Otra
categoría (ha)
50,6%
SNASPE (ha)
16,5%
Sup.
Productiva
(ha)
32,9%
Fuente: elaborado a partir de INFOR (2008),
Schmidt (2008).
Disponibilidad total = 6.075.006 m3/año
Si sólo un 30% es aserrable, entonces:
Residuo potencial = 4.252.504 m3/año
Productividad bosques:
5,14 m3/ha/año
Superficie productiva:
1.181.908 ha (32,9%)
Estimación residuos industria primaria
de lenga año 2007.
Cosecha bosque:
602.222 m3 ssc
30%
Residuos cosecha: 421.556 m3 ssc
Trozas que ingresan al
aserradero: 180.667 m3
Residuo total
año 2007:
30%
70%
Producción madera aserrada
año 2007: 54.200 m3 ssc
Fuente: INFOR, 2008
Residuos de
126.467 m3 ssc
548.022 m3 ssc
Estimación teórica bioetanol.
•Con Ganoderma applanatum (60 días):
120 g glucosa/kg residuos secos.
•Etanol teórico = 78 L/ton.
Sup. Potencial
Mad. aserrada
m3
Equivalentes al 100% de
sustitución máxima de la
gasolina en Chile (5%).
m3
33% de la gasolina
mínima que debe ser
sustituida en Chile (2%).
153 mil
bioetanol
19,8 mil
bioetanol
CONCLUSIONES
„
„
El pretratamiento fúngico mejora la obtención de
azúcares reductores y de glucosa a partir de residuos de
lenga, en comparación con las muestras sin pretratar.
La mayor cantidad de azúcares reductores y de
glucosa se obtiene al pretratar los residuos de lenga con el
hongo Ganoderma applanatum durante 60 días,
obteniéndose un rendimiento en glucosa del 12%.
CONCLUSIONES
„
„
„
La cepa fúngica utilizada influye estadísticamente en la
pérdida de peso, concentración de azúcares reductores y
concentración de glucosa.
Los tiempos estudiados influyen estadísticamente en la
pérdida de peso y en la concentración de glucosa.
La pérdida de peso se correlaciona positivamente con la
concentración de azúcares reductores y glucosa.
CONCLUSIONES
„
„
De acuerdo a las variables y condiciones utilizadas en este estudio,
la estimación de la producción de bioetanol a partir de residuos de
lenga, indica que podrían obtenerse casi 78 litros de etanol puro
por cada tonelada de material seco pretratado con
Ganoderma applanatum.
Al considerar como residuos disponibles para la producción de
bioetanol de segunda generación los residuos generados durante los
procesos productivos de lenga del año 2007, sería posible producir
19,8 millones de litros de etanol de segunda generación,
equivalentes a un 33% de la gasolina reemplazable en Chile (2%).
MUCHAS GRACIAS …