ENERO/JUNIO 2022 - VOLUMEN 32 (1)
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www.ucr.ac.cr / ISSN: 2215-2652
Ingeniería 32(1): 19-32, enero-junio, 2022. ISSN: 2215-2652. San José, Costa Rica
DOI 10.15517/ri.v32i1.46884
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Sacaricación y fermentación simultánea de la cáscara de Jatropha
curcas pretratada hidrotérmicamente para producción de bioetanol
Simultaneous saccharication and fermentation of hydrothermally
pretreated Jatropha curcas shell for bioethanol production
Danny Fabricio Sinche Arias
Investigador Auxiliar 1
Instituto de Investigación Geológico y Energético, Quito, Ecuador
Email: danny.sinche@geoenergia.gob.ec
ORCID: 0000-0003-4048-9
990
Valeria Estefanía Ramírez Peñaherrera
Analista Técnico de la Innovación 3
Instituto de Investigación Geológico y Energético, Quito, Ecuador
Email: valeria.ramirez@geoenergia.gob.ec
ORCID: 0000-0001-6345-880X
Cristhian Mauricio Velalcázar Rhea
Técnico 1 en el Instituto de Investigación Geológico y Energético, Quito, Ecuador
Email: cristhian.velalcazar@geoenergia.gob.ec
ORCID: 0000-0002-9853-7169
Recibido: 6 de mayo 2021 Aceptado: 1 de septiembre 2021
Resumen
La biomasa proveniente de Jatropha curcas ha sido estudiada como materia prima para la obtención de
energía renovable, debido a que es un cultivo no alimentario. Uno de los procesos más prometedores para
producir etanol a partir de biomasa lignocelulósica es la sacaricación y fermentación simultáneas (SSF). En
otros estudios realizados, con experimentos SSF, se ha evaluado la conversión de glucano en etanol a partir
de la cáscara de Jatropha pretratada en medio ácido o alcalino, pero no a través de procesos hidrotérmicos.
En el presente estudio, la cáscara de Jatropha curcas fue pretratada hidrotérmicamente con agua caliente a
200 °C por 15 min y ensayada en experimentos de SSF con un coctel enzimático (Cellic CTec2) y levadura
comercial (Saccharomyces cerevisiae). Diferentes cargas enzimáticas, medios estériles y tamaños de ensayo
fueron usados para determinar su inuencia en el rendimiento de etanol. Los resultados mostraron que, con
5 % p/p de sólidos, 15 UPF/g biomasa seca y 1 mg/ml de levadura se alcanza el máximo rendimiento de
etanol (0,160 - 0,177 g etanol/ g biomasa seca) y conversión de celulosa (57,71 - 63,90 %). A través de esta
investigación se propone una alternativa para el uso integral del cultivo de Jatropha curcas dentro de una
economía circular.
Palabras clave:
Bioenergía, bioetanol, cáscara de Jatropha curcas, pretratamiento con agua caliente, sacaricación y
fermentación simultánea
SINCHE, RAMÍREZ, VELALCÁZAR: Sacarificación y fermentación simultánea de la cáscara...
20
Abstract
Biomass from Jatropha curcas has been studied as a raw material for obtaining renewable energy, due to
its non-food crop characteristics. One of the most promising processes to produce ethanol from lignocellulosic
biomass is simultaneous saccharication and fermentation (SSF). In other studies carried out through SSF
experiments, the conversion of glucan to ethanol from Jatropha shell pretreated with acid or alkaline medium
was evaluated but not through hydrothermal processes. In the present study, the Jatropha curcas shell was
hydrothermally pretreated with liquid hot water at 200 °C for 15 min, and tested in SSF experiments with
an enzyme cocktail (Cellic CTec2) and commercial yeast (Saccharomyces cerevisiae). Different enzyme
loadings, sterile media and sizes test were used to assess their impact on ethanol yield. The results showed that
the maximum ethanol yield (0.160 - 0.177 g ethanol / g dry biomass) and the conversion of cellulose (57.71
- 63.90 %) were achieved with 5 % w/w of solids, 15 FPU/g dry biomass, and 1 mg/ml of yeast. Through
this research, an alternative is proposed for integral using of the Jatropha curcas crop for a circular economy.
Keywords:
Bioenergy, bioethanol, Jatropha curcas shell, liquid hot water pretreatment, simultaneous saccharication
and fermentation
Ingeniería 32(1): 19-32, enero-junio, 2022. ISSN: 2215-2652. San José, Costa Rica DOI 10.15517/ri.v32i1.46884
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1. INTRODUCCIÓN
Desde la revolución tecnológica a nales del siglo XVIII, la matriz energética mundial
cambió, sustituyendo la biomasa por combustibles fósiles que todavía son los más usados en la
actualidad, ocasionando un incremento desmedido en las concentraciones de CO
2
en la atmósfera
[1], por lo que, actualmente se requiere de fuentes de energía sostenibles y amigables con el
ambiente [2].
La biomasa lignocelulósica, como materia prima para obtención de etanol, se ha presentado
como una posible solución para las iniciativas mundiales de mitigación de cambio climático
y reducción de consumo de combustibles fósiles [3]. Este tipo de biomasa está compuesta
principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina [4], siendo esta estructura una barrera física
y química que limita la conversión biológica, dicultando los procesos de hidrólisis de celulosa y
hemicelulosa a azúcares fermentables [5]. Por tal motivo, para la conversión de celulosa antes de
un proceso enzimático, se requiere de un pretratamiento previo del material lignocelulósico [6].
Los tres procesos enzimáticos que han sido más estudiados para la obtención de etanol a partir
de biomasa lignocelulósica son: sacaricación y fermentación separada (SHF), sacaricación
y fermentación simultaneas (SSF) y bioprocesamiento consolidado (CBP, también conocido
como conversión microbiana directa o DMC). En SHF, la hidrólisis del sustrato pretratado y
la fermentación de azúcares se llevan a cabo en diferentes reactores, cada uno en condiciones
óptimas. Además, la conguración SHF da facilidad de recuperación de la levadura [7]. En un
proceso por SSF, la hidrólisis y fermentación se llevan a cabo en el mismo reactor y a pesar de
que el proceso no se lleve en condiciones óptimas, debido a que las condiciones de la hidrólisis
dieren de la fermentación, lo atractivo de SSF es su alta tasa de conversión de azúcares a
etanol al reducir la acumulación de azúcares en la fermentación [8]. Además, la SSF reduce el
requerimiento de equipos, debido a que se emplea un solo recipiente para el proceso.
Los procesos que conllevan hidrólisis de biomasa lignocelulósica requieren de cocteles
enzimáticos enriquecidos de celulasas y hemicelulasas actuando en conjunto. Esto se consigue
mediante la combinación de preparaciones enzimáticas comerciales como Cellic® Ctec2/Cellic®
Htec2 y Celluclast 1.5 L/Viscozyme L, las cuales son producidas por Novozymes. Los enzimas
Cellic® Ctec2/Cellic® Htec2 son especícas para la sacaricación de biomasa lignocelulósica,
en cambio, las enzimas Celluclast 1.5 L/Viscozyme L fueron diseñadas para aplicaciones
alimentarias y son menos costosos [9].
La Jatropha curcas es una planta que se encuentra ampliamente distribuida en bosques
silvestres o semi cultivados en América Latina, África, India y el sudeste asiático [10]. En
Ecuador, la Jatropha curcas es conocida como “Piñón” y es usada como cercas vivas en áreas
rurales agrícolas de la zona costera, principalmente en la provincia de Manabí, donde se dispone
de aproximadamente 7000 km de cercas vivas de Jatropha curcas que pueden producir entre una
a diez toneladas de semilla dependiendo de la edad de las plantas, las condiciones del suelo y el
uso del riego [11]. Desde 2008, el gobierno nacional ha impulsado la recolección del fruto de
piñón proveniente de las cercas vivas para producir aceite de piñón y utilizarlo como sustituto
SINCHE, RAMÍREZ, VELALCÁZAR: Sacarificación y fermentación simultánea de la cáscara...
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del diésel para la generación eléctrica en las Islas Galápagos [12]. De la extracción del aceite
de Jatropha curcas solo en Manabí, se produjeron aproximadamente 200.000 kg de desechos en
2018, los cuales consisten en cáscara del fruto de Jatropha curcas y torta prensada de semillas
pos extracción de aceite. En 2020, se recolectaron 300.000 kg de fruto de piñón seco [13] en
la provincia de Manabí, estimándose una generación de 116.160 kg de cáscara, considerando
que la cáscara representa el 38,72 % del fruto seco [14]. Ni la cáscara, ni la torta de semillas
tienen un mecanismo de gestión de eliminación actual, lo que lleva a problemas de gestión de
residuos [11].
En varias ocasiones, se ha estudiado el uso de la Jatropha curcas como materia prima para la
obtención de energía. El aceite de Jatropha curcas se ha utilizado como combustible en mezclas
con diésel o como materia prima para la obtención de biodiesel. Además, la cáscara del fruto de
Jatropha curcas ha sido estudiada para la producción de pellets en mezcla con biocarbón [11]
y para producción de etanol de segunda generación por medio de pretratamiento ácido [15] o
alcalino [16].
El propósito del siguiente trabajo es evaluar el rendimiento de etanol obtenido a partir de
cáscara de Jatropha curcas, pretratada con agua caliente a 200°C con un tiempo de residencia
de 15 minutos, empleando un proceso SSF a diferentes condiciones (cargas enzimáticas,
medios estériles y tamaños de ensayo). El objetivo de la investigación es determinar las mejores
condiciones de SSF para tener un máximo rendimiento de etanol y a su vez, identicar posibles
ahorros de recursos en un proceso a mayor escala siendo una alternativa de revalorización de
un residuo poco utilizado en el Ecuador.
2. METODOLOGÍA Y MATERIALES
2.1 Materia prima para la experimentación
La cáscara de Jatropha curcas (JCS) fue recolectada manualmente en el proceso de descascarado
del fruto, realizado en la Planta de Extracción de aceite localizada en la Estación Experimental del
INIAP (Portoviejo, Manabí, Ecuador). La JCS se sometió a un proceso de reducción de tamaño
empleando un molino de martillos (Indecom, Quito, Ecuador) equipado con una malla de 5 mm.
La biomasa obtenida fue recolectada para ser llevada al proceso de pretratamiento hidrotérmico
con agua caliente.
2.2 Pretratamiento hidrotémico de la cáscara
El pretratamiento hidrotérmico se llevó a cabo en un reactor de tanque agitado de 3 litros de
volumen de reacción (diseñado por el Instituto de Investigación Geológico y Energético, Quito,
Ecuador), calentado por un sistema de resistencias eléctricas. El pretratamiento fue desarrollado a
200 °C con un tiempo de residencia de 15 min, utilizando una relación de biomasa/agua de 1:10.
El lodo (slurry) obtenido fue ltrado para recuperar la biomasa pretratada o torta, empleando un
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sistema de ltrado de laboratorio, compuesto de un kitasato de 500 ml, un embudo büchner de 90
mm de diámetro, y una bomba de vacío (Boeco, Hamburgo, Alemania).
Posteriormente, se pesó la torta húmeda obtenida y se lavó por tres ocasiones con una solución
de 0,03 mol/l de citrato de sodio pH 5,0 conteniendo 0,002 % p/p de azida sódica. Para el pretrata-
miento hidrotérmico y preparación de soluciones se utilizó agua destilada que en el presente trabajo
corresponde a agua de grado tipo I, según la norma ASTM D1193-06 [17].
2.3 Métodos analíticos de laboratorio
El contenido de humedad, carbohidratos estructurales y lignina en la cáscara de Jatropha
curcas bruta y en el material pretratado, así como la determinación de subproductos de hidrólisis
enzimática y fermentación se basaron en los procedimientos analíticos de The National Renewa-
ble Energy Laboratory (NREL). La humedad se determinó por medio de un analizador halógeno
automático (Mettler Toledo, Columbus, OH, EE. UU.) a 105 °C [18]. La determinación de carbo-
hidratos estructurales y lignina se realizó por medio de un proceso que consta de una hidrólisis de
dos pasos para fraccionar la biomasa en fragmentos más fácilmente cuanticables. En este método,
la lignina se divide en un material ácido insoluble y material ácido soluble [19]. La fracción ácido
insoluble fue determina gravimétricamente, mientras que la fracción ácido soluble se determinó
por medio de un espectrómetro UV-VIS (HACH, Loveland, CO, EE. UU.). Los azúcares prove-
nientes del método de carbohidratos estructurales y lignina, así como también los subproductos de
hidrólisis enzimática y fermentación, fueron cuanticados en un HPLC equipado con un detector
de índice de refracción-RID (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, EE. UU.). La separación de
azúcares y subproductos de hidrólisis enzimática y fermentación se realizaron con una columna
Rezex 00D-0223-K0 (Phenomenex, Torrance, CA, EE. UU.) a 30 °C, utilizando una fase móvil de
0,005 mol/l de ácido sulfúrico a un ujo de 0,5 ml/min.
2.4 Determinación de la actividad enzimática
La actividad enzimática en unidades de papel ltro por mililitro (UPF/ml) se determinó
empleando una tira de 50 mg de papel de ltro Whatman No. 1, el cual fue colocado dentro de un
tubo de ensayo (13x100 mm) con 1 ml de solución tampón de 0,05 mol/l de citrato de sodio (pH 5)
y 0,5 ml de enzima diluida en la solución tampón. Esta mezcla fue incubada a 50 °C por 1 h [20].
La cuanticación de azúcares reductores y el cálculo de la actividad enzimática se realizó acorde al
procedimiento descrito por Adney y Baker [20]. La enzima utilizada (Cellic CTec 2) es una mezcla
comercial compuesta de celulasa, ß-glucosidasa, y hemicelulasa (Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO,
EE. UU.) y se determinó una actividad enzimática de 164 UPF/ml.
2.5 Preparación de inóculo
En un matraz de 250 ml de capacidad nominal, manteniendo una relación del volumen de
inóculo con respecto al volumen total de 1:5, se inoculó una levadura comercial Saccharomyces
SINCHE, RAMÍREZ, VELALCÁZAR: Sacarificación y fermentación simultánea de la cáscara...
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cerevisiae YCS2 (Sigma-Aldrich, San Luis, MO, EE. UU) con medio de cultivo esterilizado
compuesto de glucosa (25,00 g/l), extracto de levadura (4,00 g/l), NH
4
SO
4
(2,00 g/l), KH
2
PO
4
(1,00
g/l) y MgSO
4
.7H
2
O (0,30 g/l) [21]. El inóculo se incubó en un baño térmico (Fungilab, Nueva York,
NY, EE. UU) a 36 °C por 5 h.
2.6 Sacaricaciónyfermentaciónsimultánea
En un matraz de 50 ml, se preparó 24 ml de una mezcla que contiene enzima (5 UPF/g
biomasa
seca
),
levadura inoculada (1 mg/ml), cáscara de Jatropha curcas pretratada (5 % p/p) y medio esterilizado
con nutrientes compuesto de solución tampón de 0,1 mol/l de citrato de sodio pH 5,0 con extracto
de levadura (4,00 g/l), NH
4
SO
4
(2,00 g/l), KH
2
PO
4
(1,00 g/l), MgSO
4
.7H
2
O (0,30 g/l) [22]. Al
matraz se le agregó una trampa de aire y se colocó en un agitador orbital (Neuation Technologies,
Guyarat, India) a 36 °C y 14,24 rad/s por 48 h. Cada ensayo se hizo por triplicado. Se repitió el
procedimiento variando la carga enzimática en 10, 15 y 20 UPF/g biomasa seca (CUADRO II).
Con la nalidad de evaluar el proceso de SSF a mayor escala e identicar mecanismos que
disminuyan costos en el proceso, se seleccionó el ensayo realizado a nivel matraz con mayor rendi-
miento y se realizaron pruebas SSF para volúmenes de reacción de 2500 ml y 4000 ml, empleando
un biorreactor agitado por paletas de 5 litros de capacidad nominal (New Brunswick, Hamburgo,
Alemania), a 36 °C y 14,24 rad/s por 48 h. En este caso, se mantuvo constantes la carga de biomasa
(5 % p/p) y la dosicación de enzima (15 UPF/g
biomasa seca
) y se varió el medio estéril y el inóculo.
Así, en primer lugar, se sustituyó la solución tampón de citrato con nutrientes por agua destilada
(agua de grado tipo I, según la norma ASTM D1193-06) y, en segundo lugar, se inoculó la levadura
a 36 °C durante 15 minutos (CUADRO V). Este inóculo se utilizó para todos los ensayos indica-
dos en el CUADRO V.
2.7 Análisis estadístico
Se realizó un análisis de varianzas (ANOVA) de los datos experimentales de rendimiento de
etanol para determinar si existen diferencias signicativas, empleando la herramienta de análisis de
datos de Microsoft Excel 2013, con un nivel de conanza del 95 % (α = 0,05). Los datos tendrían
diferencias signicativas si p ≤ 0,05 [23].
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Composición química de la cáscara de Jatropha curcas
Las composiciones de carbohidratos estructurales de la JCS pretratada y sin pretratar se indi-
can en el CUADRO I. El valor de celulosa de la JCS concuerda con los valores reportados en otras
investigaciones (13,10 - 42,80 %) [24]. El contenido de celulosa en la JCS pretratada (48,70 %) es
más alto que el contenido en la JCS sin pretratar (42,17 %), debido a la degradación de la hemi-
celulosa y lignina causada por el pretratamiento hidrotérmico [25]. El contenido de hemicelulosa
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25
en la JSC pretratada presenta un leve incremento (16,34 %) en comparación a la JSC sin pretratar
(16,14 %), mientras que la concentración de lignina incrementa notablemente de 25,94 % en la
JCS a 34,20 % en la JCS pretratada. Esta variación se debe, principalmente, a la solubilización de
ciertos compuestos presentes en la JSC, considerados como extractivos, durante el pretratamiento,
haciendo que los carbohidratos estructurales se concentren.
CUADRO I
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA CÁSCARA DE JATROPHA CURCAS
Componente
Materia prima Material pretratado
Contenido promedio, %p/p Contenido promedio, %p/p
Celulosa 42,17 (± 0,61) 48,70 (± 0,31)
Hemicelulosa 16,14 (± 0,53) 16,34 (± 0,24)
Lignina 25,93 (± 0,83) 34,20 (± 1,33)
Pretratamiento realizado a 200 °C por 15 minutos. Los datos corresponden a base seca
3.2 SacaricaciónyFermentaciónsimultánea
Todos los experimentos SSF fueron realizados a 36 °C y 48 h, sin embargo, durante la inves-
tigación, se observó que el máximo de concentración de etanol es alcanzado a las 24 h, lo que está
acorde con los estudios desarrollados, donde mencionan que la conversión total de glucosa a etanol
se encuentra entre 12 – 24 h [16].
Fig. 1. SSF de la cascara de Jatropha curcas usando 5 % de sólidos, solución tampón de 0,1 mol/l de citrato de sodio con
extracto de levadura, NH
4
SO
4
, KH
2
PO
4
, MgSO
4
.7H
2
O, y diferente carga de enzima.
En la Fig. 1 se indica la tasa de generación de etanol bajo diferentes cargas enzimáticas. Se
observa que con 20 UPF/g biomasa seca, entre las 8 h y 20 h, se obtiene la mayor tasa de genera-
ción de etanol, sin embargo, a las 24 h se produce una concentración máxima de etanol (8,72 g/l)
similar a la obtenida con 15 UPF (8,84 g/l). En el caso de la SSF realizada con 5 UPF y 10 UPF, se
SINCHE, RAMÍREZ, VELALCÁZAR: Sacarificación y fermentación simultánea de la cáscara...
26
observaron tasas de conversión menores que las obtenidas con 15 UPF y 20 UPF, alcanzando una
concentración máxima de etanol de 5,76 g/l y 7,50 g/l, respectivamente.
En el CUADRO II, se puede observar los rendimientos de etanol obtenidos con diferentes dosis
de enzima. Con los experimentos de 15 UPF y 20 UPF se alcanzaron los mejores rendimientos y
son estadísticamente similares (p > 0,05) acorde a los resultados del CUADRO IV. En este caso, al
emplearse menor cantidad de enzima en el experimento realizado con 15 UPF/g biomasa seca, se
considera que son las condiciones óptimas para alcanzar el mayor rendimiento de producción de
etanol (0,177 g etanol/ g biomasa seca) y la mayor conversión de celulosa (63,90 %).
La conversión de celulosa indica el grado de trasformación de la cantidad teórica de glucano
disponible en la biomasa a glucosa (1,11 g glucosa/g glucano) y la fermentación de esta glucosa a
etanol (0,51 g etanol/g glucosa) [16][26], mediante la cual se puede evaluar la eciencia del pro-
ceso. En el CUADRO III, se presentan diferentes valores de conversión de celulosa reportados
en otras investigaciones de SSF con biomasa lignocelulósica. Para la cáscara de Jatropha curcas,
Visser et al. [16] reporta una conversión de celulosa de (40,43 % - 41,03 %) para un proceso de
SSF empleando cáscara pretratada en medio ácido o alcalino a 121 °C por 1 h, siendo un rendi-
miento menor al obtenido para el presente trabajo. Esto indica que el pretratamiento hidrotérmico
empleado en el presente trabajo para la JCS es más recomendable que el pretratamiento ácido o
alcalino en las condiciones indicadas para la obtención de etanol mediante SSF. Sin embargo, para
otras investigaciones de SSF realizadas con otros tipos de biomasa, pretratamientos y cepas de
microrganismos, se reportan valores superiores de conversión. Para el caso de la paja de arroz pre-
tratada en medio ácido, se indica una conversión de celulosa superior (73,58 %) cuando se emplea
en la fermentación Rhizopus oryzae en lugar de Saccharomyces cerevisiae [27]. Con biomasa de
álamo pretratada por explosión de vapor, Ballesteros et al. [26] reporta una conversión de 71,2 %
para SSF empleando Kluyveromyces marxianus. La conversión de celulosa reportada para otros
tipos de biomasa pretratada por explosión de vapor es similar a la obtenida en el presente trabajo
para 15 UPF/g.
CUADRO II
SSF DE CÁSCARA DE JATROPHA CURCAS PRETRATADA USANDO DIFERENTES
CONDICIONES
Carga de Sólidos
(JSC pretratada
seca)
Carga de
enzima
Dosicación
de levadura
Concentración
de etanol
Rendimiento de
etanol
Conversión de
celulosa
% p/p
UPF/g JSC
pretratada seca
mg/ml g/l
g etanol/
g biomasa seca
% p/p
5 5 1 5,76 (± 0,06) 0,099 (± 0,001) 35,83 (± 0,46)
5 10 1 7,50 (± 0,12) 0,124 (± 0,002) 44,69 (± 0,83)
5 15 1 8,84 (± 0,16) 0,177 (± 0,003) 63,90 (± 1,14)
5 20 1 8,72 (± 0,34) 0,174 (± 0,007) 63,06 (± 2,49)
Todos los ensayos descritos en el CUADRO II fueron desarrollados usando el mismo medio estéril (solución tampón de 0,1 mol/l de citrato de
sodio con extracto de levadura, NH
4
SO
4
, KH
2
PO
4
, MgSO
4
.7H
2
O) y un volumen de 24 ml. Los experimentos fueron realizados por triplicado
por lo que, en el CUADRO se muestran los promedios ± la desviación estándar.
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CUADRO III
COMPARACIÓN DEL PORCENTAJE DE CONVERSIÓN DE CELULOSA REPORTADO EN
TRABAJOS DE SSF SIMILARES
Materia
prima
Carga de
sólidos,
% p/p
Carga de enzima,
UPF/g de sustrato
Tipo de
pretratamiento
Microorganismo
para fermentación
Conversión
de celulosa, %
Referencia
Cáscara de
Jatropha
curcas
5 15
Hidrotérmico
con agua caliente
Saccharomyces
cerevisiae
63,90 (± 1,14)
Este
estudio
7,5 15 Ácido diluido
Saccharomyces
cerevisiae
40,43
[16]
7,5 15 Alcalino 41,03
Paja de arroz 5 15 Ácido diluido 60,77 (± 2,20)
[27]
Paja de arroz 5 15 Ácido diluido
Mucor indicus
67,62 (± 2,38)
Paja de arroz 5 15 Ácido diluido
Rhizopus oryzae
73,58 (± 2,68)
Álamo 10 15
Explosión de
vapor
Kluyveromyces
marxianus
71,2
[26]Eucalipto 10 15 62,5
Paja de trigo 10 15 62,5
Las mejores condiciones para la SSF de la JSC a un volumen de 24 ml (5 % de carga de sóli-
dos, 15 UPF/ g JSC pretratada y 1 mg/ml de levadura) fueron escaladas a un tamaño de 2500 ml
(CUADRO V) para determinar la afectación de incrementar 100 veces el volumen de reacción en
el rendimiento de etanol. Además, en este caso, se sustituyó la solución tampón por agua destilada
con y sin nutrientes (extracto de levadura, NH
4
SO
4
, KH
2
PO
4
, y MgSO
4
.7H
2
O), con el n de iden-
ticar posibles oportunidades de reducción de costos en cuanto a insumos químicos para el esca-
lamiento del proceso, en razón de que uno de los campos que también involucra el escalamiento
es el económico. En la experimentación a escala de laboratorio, por lo general, las implicaciones
de tiempo y costo de un experimento no son tan relevantes como en un escenario de producción a
mayor escala [28].
CUADRO IV
RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE VARIANZA (α = 0,05)
Comparación F calculado Probabilidad (p) Valor crítico para F
AB 0,283998832 0,622323157 7,708647422
AC 33,65577995
0,004390906
7,708647422
CDE 1,118509557
0,386494688
5,14325285
A: 5 %, 15 UPF, 24 ml; B: 5 %, 20 UPF, 24 ml; C: 5 %, 15 UPF, 2500 ml (con sales); D: 5 %, 15 UPF,
2500 ml (sin sales); E: 5 %, 15 UPF, 4000 ml (sin sales).
Los resultados del análisis estadístico (CUADRO IV) mostraron que los rendimientos de etanol
y conversiones de celulosa son similares (p > 0,05) entre los ensayos realizados con y sin adición
de nutrientes a una escala mayor (CUADRO V), indicando que podría existir un ahorro de recursos
en el proceso a mayor escala. Una vez vericado eso, el mismo ensayo (5 % de carga de sólidos,
15 UPF/g JSC pretratada con agua destilada sin nutrientes) fue escalado a 4000 ml, con el n de
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28
identicar si existen cambios en el rendimiento al aumentar el volumen de reacción de 2500 ml a
4000 ml.
Si bien los resultados del escalamiento presentan rendimientos similares (CUADRO V), con
y sin nutrientes, se evidencia por medio del análisis de varianza (CUADRO IV) que los ensayos
a mayor escala presentan rendimientos de etanol con diferencias signicativas (0,160 - 0,164 g
etanol/g biomasa seca) con respecto al obtenido para un volumen de 24 ml (0,177 g
etanol
/g
biomasa
seca) (p < 0,05). Esta disminución del rendimiento está entre el 7,34 % y 9,60 % y podría deberse,
principalmente, al cambio de instrumentos y manipulación propia del escalado, pudiendo ser uno
de los factores el sistema de agitación, ya que a mayor escala se diculta obtener una distribución
homogénea para el accionar de las enzimas y levaduras [29]. Con los resultados obtenidos en el
escalamiento, se evidencia la necesidad de realizar ajustes en las condiciones del proceso SSF,
como pueden ser el tamaño de partícula, velocidad de agitación, carga de sólido o dosicación de
enzima con el n de conseguir incrementar la conversión de celulosa, dado que en el escalamiento
de procesos se requiere mantener la tasa de producción [30]. El incremento de la dosis de enzima
podría mejorar el proceso de SFF, sin embargo, se debe tomar en cuenta las implicaciones econó-
micas que esto podría conllevar a una mayor escala [26].
CUADRO V
SSF DE CÁSCARA DE JATROPHA CURCAS PRETRATADA EN DIFERENTES
VOLÚMENES DE ENSAYO
Volumen Concentración de
Rendimiento de
etanol
Conversión de
celulosa
Medio
ml etanol g/l
g
etanol
/ g
biomasa seca
% p/p
2500 7,98 (± 0,20) 0,160 (± 0,004)
57,71 (± 1,46)
Agua destilada con
nutrientes
2500 8,13 (± 0,18)
0,163 (± 0,004)
58,77 (± 1,33)
Agua destilada sin
nutrientes
4000 8,21 (± 0,20)
0,164 (± 0,004)
59,41 (± 1,43)
Agua destilada sin
nutrientes
Los nutrientes se reeren a extracto de levadura, NH
4
SO
4
, KH
2
PO
4
, y MgSO
4
.7H
2
O. Todos los ensayos de este cuadro se desarrollaron
utilizando una carga de 5 % de sólidos y 15 UPF/g biomasa seca. Los experimentos fueron realizados por triplicado, por lo que,
en el cuadro, se muestran los promedios ± la desviación estándar.
En todos los experimentos del presente trabajo, se utilizó Saccharomyces cerevisiae para la
fermentación de la glucosa obtenida en la hidrólisis enzimática realizada con Cellic CTec2. Este
coctel enzimático, al tener hemicelulasas, es capaz de degradar la hemicelulosa de la biomasa para
obtener xilosa [27], sin embargo, la levadura mencionada no tiene la capacidad de transformar este
tipo de azúcar a etanol. Por lo tanto, los resultados de rendimiento de etanol, obtenidos a partir de la
cáscara de Jatropha curcas, se podrían incrementar utilizando microorganismos que puedan fermen-
tar hexosas y pentosas a etanol, como es el caso de las cepas de Mucor indicus y Rhizopus oryzae
[27]. Además de lo antes mencionado, el proceso SSF podría ser mejorado empelando cepas de
microorganismos termotolerantes para la fermentación, como la cepa de la levadura Kluyveromyces
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marxianus CECT 10875 utilizada por Ballesteros et al. [26]. De esta manera, se podría trabajar a
temperaturas mayores a 36 °C, acercándose más a la temperatura óptima de operación de la enzima
Cellic CTec2 que es de 50 °C [31]. Este incremento en la temperatura permitiría también evitar
riesgos de contaminación en SSF [26]. Adicionalmente, el rendimiento de etanol se podría mejorar
incrementando la carga de sólido y empleando surfactantes como aditivos para el proceso de SFF,
como en el estudio desarrollado por Nogueira et al. [32] en el cual se alcanzó un alto rendimiento
de celulosa a etanol (89,8 %) mediante SSF de bras de coco sin pretratar.
CONCLUSIONES
La presente investigación evaluó la cáscara de Jatropha curcas pretratada con agua caliente en
procesos SSF, con el n de determinar la carga enzimática que maximice el rendimiento de etanol.
Los resultados indican que, con 5 % p/p de sólidos, 15 UPF /g, y 1 mg/ml de levadura se alcanza
el máximo rendimiento de etanol (0,160 - 0,177 g
Etanol
/g
biomasa
) y conversión de celulosa (57,71 -
63,90 %).
Replicando el ensayo de máxima concentración de etanol obtenido para 24 ml, a mayores volú-
menes, se tiene un rendimiento de etanol ligeramente menor, sin embargo, los resultados indican
que el medio estéril de 0,1 mol/l de citrato de sodio (pH 5,0) con nutrientes puede ser reemplazado
por agua destilada, sin afectar al rendimiento de etanol, lo que permitiría bajar costos de produc-
ción en procesos SSF a mayores escalas de producción.
Estudios posteriores podrían considerar emplear cepas de microorganismos capaces de fermen-
tar glucosa y xilosa a etanol, con el n de incrementar el rendimiento del proceso SSF con cáscara
de Jatropha curcas. De igual manera, se requiere mejorar las condiciones del escalamiento para
mantener la tasa de producción de etanol.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean expresar un agradecido reconocimiento a la Agencia Española de Coope-
ración Internacional para el Desarrollo (AECID, España) por el nanciamiento otorgado al Ins-
tituto de Investigación Geológico y Energético (IIGE, Ecuador) para el desarrollo de la presente
investigación.
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