Tecnologías viables de producción de bioetanol a partir de sorgo en México

M anual de O peración de Bior reactores y Bioprocesos I !

Myriam Elías Santos Luis J. Galán Wong María Guadalupe Maldonado Blanco Virgilio Mojica Marin Katiushka Arévalo Niño Isela Quintero Zapata Carlos Solís Rojas Mónica Guadalupe Lozano Contreras Hugo Alberto Luna Olvera Lucia Leticia Palacios Cortez

Primera edición ! !

M anual de O peración de Bior reactores y Bioprocesos I Myriam Elías Santos Luis J. Galán Wong María Guadalupe Maldonado Blanco Virgilio Mojica Marin Katiushka Arévalo Niño Isela Quintero Zapata Carlos Solís Rojas Mónica Guadalupe Lozano Contreras Hugo Alberto Luna Olvera Lucia Leticia Palacios Cortez

Primera edición ! !

U N I V E RSI D A D A U T O N O M A D E N U E V O L E Ó N

D r. Jesús Á ncer Rodríguez Rector Ing. Rogelio G. G arza Rivera Secretario General D r. Juan M anuel A lcocer González Director de la F acultad de Ciencias Biológicas D r. L uis J. G alán Wong Coordinador del Instituto de Biotecnología, F CB/UANL

Compilador: Myriam Elías Santos Los autores agradecen la valiosa colaboración de: Jairo Hernan Alfaro Alvarez Luis Antonio Rodríguez Gámez

Primera Edición, 2012

Universidad Autónoma de Nuevo León

ISB N en trámite

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M anual de O peración de Bior reactores y Bioprocesos I Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ciencias Biológicas Instituto de Biotecnología y Cuerpo Académico en Biotecnología Av. Universidad y Av. Pedro de Alba Ciudad Universitaria CP 66450 San Nicolás de los Garza, Nuevo León

No está permitida la reproducción total o parcial de esta publicación, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, fotocopia u otros medios sin el permiso previo y por escrito de la institución.

La información y contenido en los capítulos en esta obra son creación y responsabilidad de los autores mismos, no reflejan puntos de vista, ni son avalados por las instituciones, organizaciones y/o personas que compilaron y publicaron este manual.

La cita correcta es: Autor(es). Año. Título de capítulo. En: Elías Santos M., Galán Wong L., Maldonado Blanco M G., Mojica Marín V., Arévalo Niño K., Quintero Zapata I., Solís Rojas C., Lozano Contreras M.G., Luna Olvera H.A., Palacios Cortez L.L.

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INTRODUC CIÓN Desde tiempos inmemoriales, los procesos biotecnológicos basados en la fermentación han permitido abastecer y satisfacer las demandas de la sociedad en áreas como la producción de productos lácteos y bebidas alcohólicas entre otros. Sin embargo, en la actualidad, los procesos biotecnológicos en los que se utilizan los Biorreactores pueden ser aprovechados para otras áreas productivas de suma importancia, como es la producción de bioinsecticidas.

Este manual tiene por objeto proporcionar las herramientas teóricas y prácticas para el uso y aplicación de Biorreactores en procesos biotecnológicos. Mediante sesiones prácticas se pretende que los lectores adquieran los conocimientos necesarios en la utilización de tan importante herramienta en la biotecnología.

Con este manual, pretendemos estimular el interés de los nuevos investigadores en Biotecnología, ampliando los horizontes en el uso de diferentes tipos de Biorreactores y procesos que se pueden realizar en los mismos, que si bien son poco aprovechados en investigación, son de gran valía en la industria.

Finalmente, quiero aprovechar este espacio para agradecer infinitamente a los catedráticos y alumnos de nuestro Instituto, quienes colaboraron en esta obra.

D ra. M yriam E lías Santos Profesora Investigadora Instituto de Biotecnología, F acultad de C iencias Biológicas Universidad A utónoma de Nuevo L eón !

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ÍNDIC E 1

ASP E C T OS G E N E R A L ES D E B I O R R E A C T O R ES Mónica Gpe. Lozano Contreras, Myriam Elías Santos, Isela Quintero Zapata y María Gpe. Maldonado Blanco!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! .

1

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C U L T I V O C O N T I N U O E N B I O R R E A C T O R ES D E 5 L B I O F L O I I I Lucía Leticia Palacios Cortez !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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3

ESC A L A M I E N T O A N I V E L PL A N T A Mario Moisés Álvarez!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! .

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4

M E Z C L A D O E N B I O R R E A C T O R ES Mario Moisés Álvarez !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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5

D E T E R M I N A C I Ó N D E L C O E F I C I E N T E D E T R A NSF E R E N C I A D E O X Í G E N O E N F E R M E N T A C I O N ES D E 14 L Myriam Elías Santos y F ernando Rodriguez Gómez!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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E L A B O R A C I Ó N Y E V A L U A C I Ó N SE NSO R I A L D E C E R V E Z A T IP O Myriam Elías Santos, Patricia Segura, Hugo A. Luna Olvera, María Gpe. Maldonado Blanco, Isela Quintero Zapata y Mónica Gpe. Lozano Contreras!!!!!!!!!!!!

7

PR O D U C C I Ó N D E L E V A D U R AS A N I V E L I N D UST R I A L Luis C. Damas Buenrostro !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

8

T E C N O L O G I AS V I A B L ES D E PR O D U C C I Ó N D E PR O D U C C I Ó N D E B I O E T A N O L A PA R T I R D E SO R G O E N M É X I C O Cristina Chuck Hernández, Esther Pérez Carrillo y Sergio O. Serna Saldívar!!!!!!!

9

SE C U E N C I A D E M O N T A J E D E B I O R R E A C T O R B I O F L O I I I Myriam Elías Santos, Luis J. Galán Wong, Mónica Gpe. Lozano Contreras, Hugo A. Luna Olvera, María Gpe. Maldonado Blanco e Isela Quintero Zapata !!!!!!!!!!!!.

10 SE C U E N C I A D E M O N T A J E D E B I O R R E A C T O R M F- 14 N E W B R U NSW I C K Myriam Elías Santos, María Gpe. Maldonado Blanco, Luis J. Galán Wong, Virgilio Mojica Marín, Isela Quintero Zapata y Mónica Gpe. Lozano Contreras!!!!!!!!!!!!! 11 SE C U E N C I A D E M O N T A J E D E B I O R R E A C T O R D E 250L Myriam Elías Santos, Luis J. Galán Wong, María Gpe. Maldonado Blanco, Lilia H. Morales Ramos y Carlos F . Sandoval Coronado!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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C apítulo

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T E C N O L O G Í AS V I A B L ES D E PR O D U C C I Ó N D E B I O E T A N O L A PA R T I R D E SO R G O E N M É X I C O

C ristina C huck H ernández Esther Pérez C ar rillo Sergio O . Serna Saldívar

Departamento de Biotecnología e Ingeniería de Alimentos, Tecnológico de Monterrey @ Campus Monterrey

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IN TRO DUC CI Ó N E l etanol como combustible

La disminución de las reservas petroleras y el impacto ambiental a largo plazo junto con el gran potencial de mercados emergentes han llevado a la búsqueda de medios de combustibles líquidos alternos. Las opciones de automóviles alternativos constituyen un grupo muy variado e incluyen aquellos que funcionan con electricidad, energía solar, energía eólica, así como los que utilizan un sistema de combustión interna con nuevos combustibles como metano, metanol y etanol (Byrne y Polonsky, 2001). Dentro de las fuentes renovables que surgen como posible solución a los problemas de contaminación ambiental una de las que ha generado mucho interés es el etanol. El uso de etanol en motores de combustión interna podría poner en gran parte remedio al problema de contaminación atmosférica (Camps-Michelena, 2002).

El etanol obtenido a partir de un proceso de fermentación utilizado como combustible ha tenido muchos ciclos de crecimiento y disminución desde 1860 (Madson y Monceaux, 1995), cuando Henry Ford creía que el etanol era el mejor combustible para automóviles. Fue este inventor quien desarrolló una tecnología para ajustar el sistema de operación tanto con etanol como con gasolina. Sin embargo, la gran depresión económica de la década de 1930 propició la perdida de interés en el etanol como combustible. No fue sino hasta mediados de la década de 1950 y a principios de 1960, que se revivió el interés en el uso del etanol (Scheller, 1981).

En los últimos dos años se ha presentado un incremento importante en la producción mundial de etanol y más del 80% se concentra actualmente en Brasil y Estados Unidos (Tabla 1). Sólo en Estados Unidos, la producción de etanol se ha triplicado desde el 2003 (RFA, 2009). Es de destacar que México aún no figura en los primeros diez productores de etanol en el mundo.

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T abla 1. Producción anual mundial de etanol por países (Metros cúbicos, etanol como combustible) País

2007

2008

USA

246,000

340,687

Brasil

190,000

244,999

Unión Europea

21,588

27,770

China

18,397

18,999

Canadá

7,999

8,998

Tailandia

2,998

3,399

Colombia

2,835

3,001

India

1,999

2,498

Centro América

1,499

--------

999

999

Otros

1,620

4,860

Total

495,934

656,210

Australia

Fuente: Renewable Fuel Association (RFA, 2009).

Para Brasil, la mejor fuente para producción de bioetanol ha sido y es la caña de azúcar. Este país fue de los primeros en impulsar la producción y uso de bioetanol durante los 70s y 80s. En el caso de Estados Unidos, la producción de etanol a nivel comercial como biocombustible ha presentado un crecimiento sin precedentes y aún se espera un incremento en la producción de etanol que le permita a este país cubrir lo dispuesto en el Estándar de Combustibles Renovables (Renewable Fuels Standard) firmado en el 2005, en el cual se establece para el 2022 la producción de 57 billones de litros de combustible renovable (RFA, 2009; Sanderson, 2007; Srinivasan et al., 2006). El 95% de la producción actual en Estados Unidos se basa en harina de maíz, principalmente obtenida por molienda seca y el resto de diversos cereales entre los que se encuentra el sorgo (Wu et al., 2007).

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Sorgo como materia prima

El sorgo y el maíz tienen aplicaciones prácticas análogas, pues se cultivan por su grano y por la aplicación forrajera de sus tallos y hojas (Ibar-Albiñana, 1984). A diferencia del maíz, el sorgo resiste mucho mejor las altas temperaturas. Es capaz de sufrir la sequía durante un período de tiempo bastante largo y reiniciar su crecimiento cuando las condiciones de disponibilidad de agua se restablecen. Por otra parte, necesita menos cantidad de agua que el maíz para producir un kilogramo de materia seca (Hulse et

al., 1980). Otras ventajas del cultivo de sorgo sobre el de maíz son una mejor tolerancia a la salinidad del suelo, mayor facilidad para mecanizar el cultivo y mayor resistencia a los gusanos barredores del tallo (Ibar-Albiñana, 1984). La importancia económica del sorgo radica en que ocupa el quinto lugar en términos de volúmenes de producción mundial y es una de las principales fuentes de calorías y proteínas para millones de personas en África y Asia (Waniska y Rooney, 2000).

El sorgo también es importante como alimento para ganado, uso que se da en los países desarrollados. Durante el año 2007 se obtuvo una producción mundial aproximada de 63 millones de toneladas de grano de sorgo (FAO, 2009), siendo México el cuarto productor en el ámbito mundial y el segundo en el continente americano (Tabla 2). T abla 2. Producción de los principales países productores de sorgo a nivel mundial durante el año 2007. País

M iles de toneladas

Estados Unidos de América

12,635.73

Nigeria

9,058.00

India

7,150.00

México

6,202.92

Sudán

5,840.00

Argentina

2,794.97

China

2,434.90

Etiopía

2,173.60

Burkina Faso

1,619.59

Brasil

1,440.75

Australia

1,283.00

Total Mundial

63,375.60

Fuente: FAO (2009).

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La composición del grano de sorgo es muy parecida a la de otros cereales, especialmente a la del maíz. Después del maíz, el grano de sorgo es el que tiene mayor valor energético total. Un kilogramo de sorgo aporta más de 4400 kilocalorías (Ibar-Albiñana, 1984). El almidón representa desde la mitad hasta tres cuartas partes del peso del grano, se caracteriza porque contiene de un 23 a un 30% de amilosa y del 70 al 77% de amilopectina (Waniska y Rooney, 2000). Los gránulos de almidón del sorgo son muy parecidos a los de maíz en cuanto a su morfología, pues en ambos se encuentra en el rango de 6 a 24 ^4& /+#-*.& /"7#$+.$& #'& 7$.)#*+.& #-& #'& /.$!.& 1D[^3& F"#& #-& #'& )%QY& 1DL^3