Producción continua de etanol en biorreactores de lecho empacado con células de levadura inmovilizadas en residuos lignocelulósicos

RESUMEN: Los procesos continuos con células inmovilizadas son una alternativa para mejorar la eficiencia y el rendimiento de las fermentaciones alcohólicas. Recientemente, se han comenzado a evaluar materias primas derivadas de residuos agroindustriales y su aplicación como soportes promisorios para la inmovilización celular. En este trabajo se evaluó la producción continua de etanol en reactores de lecho empacado con células de levadura inmovilizadas en residuos lignocelulósicos de viruta, bagazo de caña, capacho y tusa de maíz. Se empleó glucosa como fuente de carbono para establecer las condiciones de referencia y se realizaron las fermentaciones con sacarosa comercial. Además, se evaluó como sustrato alternativo el jarabe glucosado obtenido de la harina de yuca. Las experimentaciones fueron realizadas a nivel de laboratorio en reactores de columna de 250 mL. El bagazo de caña fue el material en el que se inmovilizó mayor cantidad de células. Se obtuvo un valor de 0,047 g de Biomasa/g de soporte (gX/gC). Para la fermentación realizada con glucosa, la productividad alcanzada fue de 13,33 ± 1,5 g/L h. Un valor similar, 13,00 ± 0,02 g/L h fue alcanzado para la productividad de la fermentación con sacarosa. En las fermentaciones realizadas con jarabe glucosado, se obtuvo mayor cantidad de etanol en el proceso que empleó tusa como soporte. Se produjeron 31,99 ± 1,93 g/L de etanol y se alcanzó una productividad de 10,66 ± 0,64 g/L h. Los resultados obtenidos han permitido establecer el potencial que tienen estos residuos lignocelulósicos como soportes en la inmovilización celular para la producción en continuo de etanol, y la posibilidad de emplear el jarabe glucosado como sustrato alternativo.ABSTARCT: Continuous processes with immobilized cells are a good alternative for improving the efficiency and the performance of alcoholic fermentations. The potential use of raw materials obtained from agro-industrial waste as supports for cell immobilization was recently evaluated. In this work, we evaluated the continuous production of ethanol in packed-bed reactors with yeast cells immobilized on wood shaving, cane bagasse, corn leave, and corn cob lignocellulosic waste. We used glucose as a carbon source to establish the reference conditions and we made the fermentations with commercial sucrose. We also evaluated the glucose syrup obtained from cassava flour as alternative substrate. The experiments were performed on a laboratory level in column reactors of 250 mL. The cane bagasse was the material on which the highest amount of cells was immobilized. A value of 0.047 g Biomass/g Carrier (gX/gC) was obtained. For the fermentation performed with glucose, the productivity reached was 13.33 ± 1.5 g/L h. A similar value, 13.00 ± 0.02 g/L h was reached for the productivity of fermentation with sucrose. In the fermentations performed with glucose syrup, a higher amount of ethanol was obtained in the process that used corn cob as the carrier. 31.99 ± 1.93 g/L of ethanol was produced and the productivity of 10.66 ± 0.64 g/L h was reached. The results obtained have allowed us to establish the potential this lignocellulosic waste has as carriers for cell immobilization for the continuous production of ethanol, and the possibility of using glucose syrup as an alternative substrate

Inmovilización de levaduras en residuos lignocelulósicos para la producción de etanol en biorreactor de lecho empacado

ABSTRACT: This study is focused on the development of an immobilization process of yeast cells in waste lignocellulosic materials and their evaluation in the ethanol production by using packed bed bioreactors. We evaluated four different waste lignocellulosic materials: wood shavings, cane bagasse, corn cobs and corn leaves. The characterization made it possible to establish the microscopic structural differences between the four materials, as well as the differences in composition of lignin, cellulose, hemicelluloses and ash. A protocol for packaging materials and a quantification methodology of immobilized biomass was developed. An experimental design was conducted to determine the effects of the size of lignocellulosic materials on cell immobilization and to establish the effects of the flow rate in the immobilized cells when the fermentation is performed in packed bed bioreactors. Under the established experimental conditions we determined the size and flow rate that provided the better operational stability for the fermentation in packed bed bioreactor. The result of the study showed that the material in which the biggest amount of cells was immobilized was the sugar cane bagasse, and we obtained a value of 0.04657 dry immobilized biomass gX/gS (grams of dry biomass per grams of lignocellulosic material). This amount of immobilized biomass is significant compared to the values reported by other authors. As a result of the experimental design of the influence of flow and size of the carrier on the immobilization, it was established that there is no significant statistical difference in the range of the values used in the experiment (size of 3.4; 6.7 and 10 mm and flow rate of 0.36; 1.6 and 3.33 ml/s), so the best conditions for cell immobilization could be established taking into account the operational conditions and system stability. The size of the carrier selected was 3.4 mm and the flow rate of 0.36 ml/s. In the fermentations carried out in packed bed bioreactors with the biocatalyst (carrier + yeast), it was possible to obtain an increase of the amount of immobilized cells up to a value of 0.1444 ± 0.0061 grams of biomass after 12 hours of fermentation. Ethanol production using these biocatalysts reached a value of 20 g/L in 12 hours fermentation batch, equivalent to a volumetric productivity of 1.67 g/Lh. The results have established the implementation potential of ethanol production by continuous fermentation with immobilized cells in waste lignocellulosic materials.RESUMEN: El presente estudio se ha orientado hacia el desarrollo de un proceso de inmovilización de células de levaduras en residuos de materiales lignocelulosicos y a su evaluación en la producción de etanol mediante el uso de biorreactores de lecho empacado. Se evaluaron cuatro diferentes residuos de materiales lignocelulosicos: viruta de madera, bagazo de caña, tusa y capacho de maíz. La caracterización realizada permitió establecer las diferencias estructurales microscópicas que presentan los cuatro materiales, al igual que las diferencias en composición de lignina, celulosa, hemicelulosa y cenizas. Se desarrolló un protocolo para el acondicionamiento de los materiales y una metodología de cuantificación de biomasa inmovilizada. Se realizó un diseño experimental para determinar el efecto del tamaño de los materiales lignocelulósicos en la inmovilización celular y para establecer el efecto del caudal empleado en el proceso de inmovilización en los biorreactores de lecho empacado. Bajo las condiciones experimentales establecidas se determinó el tamaño y caudal que mejor estabilidad operacional proporcionaron a la fermentación en el biorreactor de lecho empacado. Como resultado del estudio se obtuvo que el material en el que se inmovilizó mayor cantidad de células de levadura fue el bagazo de caña, se obtuvo un valor de biomasa seca inmovilizada de 0,04657 gX/gS (gramos de biomasa por gramos de material lignocelulósico empleado). Esta cantidad de biomasa inmovilizada es significativa comparada con los valores reportados por otros autores. Como resultado del diseño experimental de la influencia del caudal y el tamaño del soporte en la inmovilización se pudo establecer que no existe diferencia estadística significativa en el rango de valores empleados en la experimentación (tamaño de 3,4, 6,7 y 10 mm y caudal de 0,36, 1,6 y 3,33 ml/s), así que las mejores condiciones para la inmovilización celular pudieron ser establecidas teniendo en cuenta las condiciones operacionales y estabilidad del sistema, el tamaño de soporte empleado fue de 3,4 mm y el caudal de 0,36 ml/s. En las fermentaciones realizadas en los biorreactores de lecho empacado con el biocatalizador (soporte + levaduras), se logró obtener un aumento en la cantidad de células inmovilizadas hasta un valor de 0,1444 ± 0,0061 gramos de biomasa inmovilizada después de 12 horas de fermentación. La producción de etanol empleando estos biocatalizadores alcanzó un valor de 20 g/L en 12 horas de fermentación por lote, es decir, una productividad volumétrica de 1,67 g/Lh. Los resultados obtenidos han permitido establecer el potencial de la implementación de la producción de etanol mediante fermentaciones en continuo con células inmovilizadas en residuos de materiales lignocelulosicos.

Evaluación de la relación Carbono Nitrógeno y Carbono Fosforo para mejorar la producción de biomasa y ácidos grasos en Chlorella sorokiniana.

Background. Microalgae are being studied as a source of fatty acids to produce food with high added value. The content of oils can increase or decrease due to changes in abiotic factors such as nitrogen and phosphorus concentration in the culture medium. Goals. To determine the carbon/nitrogen and carbon/phosphorus ratio that favor biomass and fatty acid production in the native microalgae Chlorella sorokiniana. Methods. Microalgae isolated from the Parque Norte Lake in the city of Medellin, Antioquia, Colombia, was cultured in a heterotrophic way using glucose as carbon source at different carbon to nitrogen (C/N) (10/1, 25/1 y 50/1) and carbon to phosphorus (C/P) (200/1, 300/1 y 400/1) ratios. Results. The highest concentration of biomass was 9.70 gL-1 and 9.17 gL-1 at C/N 10/1 and C/P 200/1. The yields were 1.08 gL-1d-1 and 1.02 gL-1d-1. The biomass yield from glucose (were 0.43gg-1 and 0.44gg-1. Total fatty acids are favored by the C/N and C/P ratios of 50/1 and 400/1, yielding 24.27% and 20.48% total fatty acids measured over dried cell weight alongside higher fatty acid yield from biomass of 26.97m gL-1d-1 and 22.76m gL-1d-1, respectively. Conclusions. Lower C/N and C/P ratios favor the production of biomass while lowering the production of total fatty acids; conversely, higher C/N and C/P rations favor the production of total fatty acids and the lipid yield from biomass. Therefore, it is necessary to reach the highest production of biomass with low C/N ratio for enabling the elongation of the polyunsaturated fatty acid chain during the nutrient depletion stage in the culture medium as a response to the stress conditionsAntecedentes. Las microalgas están siendo estudias como fuente de ácidos grasos para la producción de alimentos con alto valor agregado. El contenido de aceites en estas puede aumentar o disminuir debido a cambios en los factores abióticos como la concentración de nitrógeno y fósforo en el medio de cultivo. Objetivo. Determinar la relación carbono/nitrógeno y carbono/fosforo que favorezcan la producción de biomasa y ácidos grasos en la microalga nativa Chlorella sorokiniana. Métodos. La microalga aislada del lago del parque norte en la ciudad de Medellín, Antioquia, Colombia, fue cultivada de forma heterotrófica con glucosa como fuente de carbono a diferentes relaciones carbono nitrógeno (C/N) (10/1, 25/1 y 50/1) y carbono fósforo (C/P) (200/1, 300/1 y 400/1). Resultados. La máxima concentración de biomasa que se obtuvo fue de 9.70gL-1 y 9.17 gL-1 con las relaciones C/N 10/1 y C/P 200/1, sus productividades fueron de 1.08 gL-1d-1 y 1.02 gL-1d-1 y sus rendimientos de biomasa en glucosa (fueron de 0.43 y 0.44 gg-1. Los ácidos grasos totales se ven favorecidos con las relaciones C/N 50/1 y C/P 400/1 alcanzando un 24.27% y 20.48% de ácidos grasos totales sobre la biomasa seca, además de mayores productividades de ácidos grasos en biomasa seca de 26.97 mgL-1d-1 y 22.76 mgL-1d-1 respectivamente. Conclusiones. Relaciones C/N y C/P bajas favorecen la producción de biomasa y disminuyen la producción de ácidos grasos totales, por el contrario, relaciones C/N y C/P altas, favorecen la producción de ácidos grasos totales y la productividad de lípidos en biomasa. De esta manera se debe alcanzar la máxima producción de biomasa con bajas relaciones C/N para lograr que en la etapa de agotamiento nutricional en el medio de cultivo se induzca la elongación de las cadenas de ácidos grasos poliinsaturados como respuesta a las condiciones de estrés

Evaluación de medios de cultivo preparados a partir de suero de leche enriquecido, para la producción de ácido láctico,con lactobacillus plantarum y lactobacillus

RESUMEN: En este trabajo se evalúan diferentes fuentes de nitrógeno, luego de determinar la mejor concentración de suero de leche, para la producción de ácido láctico en fermentaciones por lote. Se utilizaron tres fuentes de nitrógeno, peptona y extracto de levadura a 5, 10, 15 g/l, y licor de maíz a 10, 20, 30 g/l. La mayor producción de ácido láctico se obtuvo con una concentración de extracto de levadura de 15 g/l y lactosa 61,7 g/l y se alcanzaron valores de 28,8 g/l y 28,5 g/l de ácido láctico, respectivamente, para L. casei y L. plantaru

Evaluation of Biogas Production from Swine Manure Using a UASB Reactor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) with Long-Term Operation

To meet Colombia’s energy needs by 2050, a total installed capacity of 42 MW across its power generation infrastructure is required. To achieve this, transitioning to cleaner energy sources, such as biomass—a non-conventional renewable energy—is necessary. Biomass is a promising renewable source for thermal and electrical energy production. This study researched the production of biogas from swine manure using a UASB reactor to valorize this waste. Swine manure was collected every 20 days from a pig farm with a capacity of 200 sows, located in Santa Rosa de Osos, Antioquia. The flow rate was increased three times (1.30 L d−1, 1.62 L d−1, and 2.08 L d−1) to reduce the hydraulic retention time (HRT) and enhance biogas production. The volatile and total solids, chemical oxygen demand (COD), alkalinity, and biogas composition were measured over one year. The proposed system achieved 87.40% COD remotion from the feed stream and generated a yield of 507 mLCH4 gVS−1, with an HRT of 19 days and an OLR of 4.27 gCOD L−1 d−1. The reactor produced biogas with a CH4 content of 67.7%, CO2 content of 18.1%, and H2S content of 1413 ppm. This study highlights the effectiveness of the UASB reactor for biogas production using swine manure as a substrate

Producción de alcohol por fermentación con levaduras libres e inmovilizadas

RESUMEN: El presente trabajo evalúa la producción de etanol, en un sistema continuo, con células de levadura inmovilizadas, que opera a tasa de dilución de 0,36 h-1 y se compara con un sistema en lote con células libres, el cual se utiliza tradicionalmente en la producción industrial de etanol. Los sistemas se evalúan con cuatro sustratos diferentes: glucosa, sacarosa, miel virgen y miel residual. El reactor se opera a temperatura de 35 °C, con solución de concentración de 100 g/l de azúcares totales reductores y pH aproximado de 5,0. La productividad para el sistema continuo presenta valores superiores a 9,42 g/l/h a diferencia del sistema lote que alcanza productividad máxima de 3,39 g/l/h, lo cual hace del sistema continuo una buena alternativa para la producción de etanol a escala industrial