Fermentación de acetona-butanol-etanol
Proceso químico
Vía de fermentación de acetona-butanol-etanol por clostridios.

La fermentación de acetona-butanol-etanol (ABE) , también conocida como proceso Weizmann , es un proceso que utiliza la fermentación bacteriana para producir acetona , n-butanol y etanol a partir de carbohidratos como el almidón y la glucosa . Fue desarrollado por el químico Chaim Weizmann y fue el proceso principal utilizado para producir acetona, que era necesaria para fabricar cordita , una sustancia esencial para la industria bélica británica durante la Primera Guerra Mundial . [1]

Proceso

El proceso puede compararse con la fermentación de azúcares por levaduras para producir etanol para vino, cerveza o combustible, pero los organismos que llevan a cabo la fermentación ABE son estrictamente anaeróbicos (anaerobios obligados). La fermentación ABE produce disolventes en una proporción de 3 partes de acetona, 6 partes de butanol por 1 parte de etanol. Por lo general, se utiliza una cepa de bacterias de la clase Clostridia (familia Clostridiaceae ). Clostridium acetobutylicum es la más estudiada y ampliamente utilizada. Aunque menos efectivas, las cepas bacterianas Clostridium beijerinckii y Clostridium saccharobutylicum también han mostrado buenos resultados. [2] [3]

La vía de fermentación de ABE generalmente se desarrolla en dos fases. En la fase inicial de acidogénesis , las células crecen exponencialmente y acumulan acetato y butirato . El pH bajo junto con otros factores desencadenan un cambio metabólico hacia la fase de solventogénesis , en la que se utilizan acetato y butirato para producir los solventes. [4]

Para la extracción de gases, los gases más comunes utilizados son los gases residuales de la propia fermentación, una mezcla de dióxido de carbono y gas hidrógeno . [ cita requerida ]

Historia

La producción de butanol por medios biológicos fue realizada por primera vez por Louis Pasteur en 1861. [5] En 1905, el bioquímico austríaco Franz Schardinger descubrió que la acetona también podía producirse. [5] En 1910 , Auguste Fernbach (1860-1939) desarrolló un proceso de fermentación bacteriana utilizando almidón de papa como materia prima en la producción de butanol. [6]

La explotación industrial de la fermentación ABE comenzó en 1916, durante la Primera Guerra Mundial, con el aislamiento de Clostridium acetobutylicum por parte de Chaim Weizmann , como se describe en la patente estadounidense 1315585. [7]

El proceso Weizmann fue operado por Commercial Solvents Corporation desde aproximadamente 1920 hasta 1964 con plantas en los EE. UU. ( Terre Haute, IN y Peoria, IL ) y Liverpool, Inglaterra . La planta de Peoria era la más grande de las tres. Utilizaba melaza como materia prima y tenía 96 fermentadores con un volumen de 96.000 galones cada uno. [8]

Después de la Segunda Guerra Mundial , la fermentación ABE dejó de ser rentable en general, en comparación con la producción de los mismos tres disolventes ( acetona , butanol , etanol ) a partir del petróleo . [1] Durante las décadas de 1950 y 1960, la fermentación ABE fue reemplazada por plantas químicas de petróleo. Debido a los diferentes costos de las materias primas, la fermentación ABE fue viable en Sudáfrica hasta principios de la década de 1980, y la última planta cerró en 1983. [9] Green Biologics Ltd operó el último intento de resucitar el proceso a escala, pero la planta cerró en Minnesota en junio de 2019.

Celtic Renewables Ltd ha desarrollado una nueva biorrefinería ABE en Escocia y comenzará a producir a principios de 2022. La diferencia clave en el proceso es el uso de materiales gastados de bajo valor o residuos de otros procesos, lo que elimina los costos variables de los cultivos y materiales de materia prima. [10]

Intentos de mejora

El aspecto más crítico en los procesos de fermentación de biomasa está relacionado con su productividad. La fermentación ABE a través de Clostridium beijerinckii o Clostridium acetobutylicum , por ejemplo, se caracteriza por la inhibición del producto . Esto significa que existe un umbral de concentración de producto que no se puede superar, lo que da como resultado una corriente de producto altamente diluida en agua. [11]

Diagrama de equilibrio de fases para la mezcla ternaria de 1-butanol-etanol-agua

Por esta razón, para tener una productividad y rentabilidad comparables con los procesos petroquímicos , se requieren soluciones rentables y energéticamente eficientes para las secciones de purificación de productos que permitan una recuperación significativa del producto con la pureza deseada. Las principales soluciones adoptadas durante las últimas décadas han sido las siguientes: [ cita requerida ]

  • El uso de materias primas menos costosas, y en particular residuos lignocelulósicos o algas ;
  • La modificación de microorganismos o la investigación de nuevas cepas menos sensibles al envenenamiento por concentración de butanol para aumentar la productividad y la selectividad hacia las especies de butanol ;
  • La optimización del reactor de fermentación tiene como objetivo aumentar la productividad;
  • La reducción de los costes energéticos del proceso de separación y purificación posterior y, en particular, la realización de la separación in situ en el reactor ;
  • El uso de productos secundarios como hidrógeno y dióxido de carbono , desechos sólidos y microorganismos descargados y llevar a cabo tratamientos de aguas residuales de procesos menos costosos .

En la segunda mitad del siglo XX, estas tecnologías permitieron aumentar la concentración del producto final en el caldo de 15 a 30 g/L, aumentar la productividad final de 0,46 a 4,6 g/(L*h) y aumentar el rendimiento de 15 a 42%. [3]

Desde la perspectiva de la purificación de compuestos, las principales criticidades en la recuperación del producto ABE/W se deben a las interacciones no ideales de la mezcla agua-alcohol que conducen a especies azeotrópicas homogéneas y heterogéneas [12] , como lo muestra el diagrama de equilibrio ternario. Esto hace que la separación por destilación estándar sea particularmente poco práctica pero, por otro lado, permite la explotación de la región de desmezcla líquido-líquido tanto para procesos de separación análogos [13] como alternativos [ cita requerida ] .

Por lo tanto, para mejorar el rendimiento de la fermentación ABE, se han desarrollado principalmente sistemas de recuperación de producto in situ. Estos incluyen extracción de gas , [14] [15] pervaporación , [16] [17] extracción líquido-líquido , destilación mediante columna de pared divisoria, [18] destilación por membrana , separación por membrana , [19] adsorción y ósmosis inversa . Green Biologics Ltd. implementó muchas de estas tecnologías a escala industrial.

Además, a diferencia de las materias primas de petróleo crudo , la naturaleza de la biomasa fluctúa a lo largo de las estaciones del año y según la ubicación geográfica. [20] [21] Por estas razones, las operaciones de biorrefinería no solo deben ser efectivas, sino también flexibles y capaces de cambiar entre dos condiciones operativas con bastante rapidez. [ cita requerida ]

Perspectivas actuales

Demanda mundial de n-butanol [22]

La fermentación ABE está atrayendo un renovado interés con el foco puesto en el butanol como biocombustible renovable . [23]

La sostenibilidad ha sido, sin duda, el tema de mayor preocupación en los últimos años. El desafío energético es el punto clave de las políticas respetuosas con el medio ambiente adoptadas por todos los países más desarrollados e industrializados del mundo. Para ello, Horizonte 2020, el mayor programa de investigación e innovación de la UE , fue financiado por la Unión Europea durante el período 2014-2020. [24]

La Agencia Internacional de la Energía define las energías renovables como el centro de la transición hacia un sistema energético menos intensivo en carbono y más sostenible. Se estima que los biocombustibles representarán alrededor del 30% del consumo energético en el transporte en 2060. Su papel es especialmente importante en sectores que son difíciles de descarbonizar, como la aviación , el transporte marítimo y otros transportes de larga distancia. Por ello, varios bioprocesos han suscitado un renovado interés en los últimos años, tanto desde una perspectiva de investigación como industrial. [25]

Por esta razón, el proceso de fermentación ABE ha sido reconsiderado desde una perspectiva diferente. Aunque originalmente fue concebido para producir acetona , se considera como una vía de producción adecuada para el biobutanol que se ha convertido en el producto de mayor interés. El butanol biogénico es un posible sustituto del bioetanol o incluso mejor y ya se emplea tanto como aditivo de combustible como como combustible puro en lugar de la gasolina estándar porque, a diferencia del etanol , se puede utilizar de manera directa y eficiente en motores de gasolina . Además, tiene la ventaja de que se puede enviar y distribuir a través de tuberías y estaciones de servicio existentes . [26]

Finalmente, el biobutanol se utiliza ampliamente como disolvente directo para pinturas , revestimientos , barnices , resinas , tintes , alcanfor , aceites vegetales , grasas, ceras , goma laca , cauchos y alcaloides debido a su mayor densidad energética, menor volatilidad y menor higroscopicidad . [ cita requerida ] Se puede producir a partir de diferentes tipos de biomasa celulósica y también se puede utilizar para el procesamiento posterior de biocombustibles avanzados como el levulinato de butilo. [27]

La aplicación de n-butanol en la producción de acrilato de butilo tiene un amplio alcance para su expansión, lo que a su vez ayudaría a aumentar el consumo de n-butanol a nivel mundial. El acrilato de butilo fue la mayor aplicación de n-butanol en 2014 y se proyecta que alcance un valor de 3.900 millones de dólares estadounidenses para 2020. [28]

Referencias

  1. ^ ab Mark R. Wilkins y Hasan Atiye (2012). "Fermentación". En Nurhan Turgut Dunford (ed.). Alimentos, bioproductos industriales y bioprocesamiento . Wiley. pág. 195. ISBN 9781119946052.
  2. ^ Qureshi N, Blaschek HP (noviembre de 2001). "Avances recientes en la fermentación ABE: Clostridium beijerinckii BA101 productor de hiperbutanol". Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology . 27 (5): 287–291. doi :10.1038/sj.jim.7000114. PMID  11781803. S2CID  25947028.
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  4. ^ Li S, Huang L, Ke C, Pang Z, Liu L (2020). "Disección, regulación, ingeniería y aplicación de vías: lecciones aprendidas de la producción de biobutanol por clostridios solventogénicos". Biotecnología para biocombustibles . 13 (1): 39. doi : 10.1186/s13068-020-01674-3 . PMC 7060580 . PMID  32165923. 
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