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Energía

Fermentación ventajosa

El empleo de nuevos linajes de levadura puede hacer caer el costo de producción de las centrales de azúcar y alcohol

Dentro de un año, si todo transcurre bien, una nueva tecnología para la producción de etanol saldrá mercado, ocasionando una reducción en el costo de producción de los centrales de azúcar y alcohol instaladas en el país. Investigadores del Centro Multidisciplinario de Investigaciones Químicas, Biológicas y Agrícolas (CPQBA) de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) lograron seleccionar con éxito cepas de levadura Saccharomyces cerevisiae con capacidad floculante (crece de manera agrupada, formando copos o aglomerados de tamaño variable) para su utilización en reactores tipo torre empleados en los procesos de fermentación industrial por las destilerías brasileñas. La ventaja de esas levaduras sobre las tradicionalmente empleadas es que éstas dispensan una etapa del ciclo de producción del alcohol, la centrifugación, que ocurre inmediatamente después de la fermentación. Los investigadores también desarrollaron tachos de fermentación propios para el proceso, que está funcionando hace dos años en carácter experimental en un central piloto de la región de Ribeirão Preto, en el interior de São Paulo.

Para dimensionar el alcance de la innovación desarrollada por el grupo de la Unicamp es necesario, antes, conocer las etapas de producción del etanol. Después que la caña de azúcar es recogida de los cañaverales ella es encaminada para el central donde pasa por un proceso de molienda. El mosto resultante, constituido por el caldo de caña o por el melado mezclado con agua, sigue para los tachos de fermentación alcohólica. En esa etapa, las cepas de levaduras Saccharomyces cerevisiae tienen un papel vital, pues son ellas las responsables de la transformación del azúcar en alcohol etílico. En los procesos convencionales usados por prácticamente cerca de 400 centrales brasileños, el mosto fermentado es enviado a las centrífugas donde tiene lugar la separación de las levaduras. El fermento centrifugado, conteniendo las células de levaduras, pasa por un tratamiento ácido y retorna a los tachos de fermentación, mientras que el mosto es encaminado para las columnas de destilación, el paso final del proceso de producción de etanol.

Con las cepas de levaduras floculantes seleccionadas en el CPQBA, el mosto fermentado sale de los tachos sin contener levaduras, que permanecen retenidas en el propio equipamiento. Al contrario de las levaduras convencionales, que se quedan disueltas en el mosto fermentado, las cepas floculantes se depositan en el fondo del tacho. Con eso eliminamos la etapa de centrifugación, cuyo objetivo es exclusivamente separar la levadura del mosto fermentado, explica la bióloga Maria da Graça Stupiello Andrietta, coordinadora de la División de Biotecnología y Procesos del CPQBA. La gran ventaja de ese nuevo proceso es la reducción del costo de adquisición y mantenimiento de equipamientos por parte de los centrales, ya que ellas no necesitarán mas tener separadoras centrífugas.

Por los cálculos del grupo, la eliminación de la centrifugación y del tratamiento ácido de los procesos convencionales podrá llevar a una economía en el costo de procesamiento de 0,02 reales a 0,03 reales por litro de etanol producido  el costo total de procesamiento es de 0,20 reales por litro, sin contar el costo de la caña de azúcar. Además de eso, a; la máquina facilita la automatización del proceso, ya que la unidad de centrifugación es el único sector del proceso que no admite automatización total. A pesar de tener una etapa menos en el ciclo productivo, todavía, el rendimiento y la productividad del proceso son los mismos.

Según la investigadora, hace cerca de 15 años algunos centrales brasileños llegaron a utilizar de una forma pionera, procesos que empleaban cepas floculantes de Saccharomyces cerevisiae, pero ellos fueron abandonados por falta de dominio de la tecnología. ?En aquella época, nosotros ya hacíamos trabajo de selección de cepas y percibimos que las levaduras floculantes podrían tener un desempeño eficiente en la fermentación si contasen con equipamientos apropiados. Había un gap tecnológico, recuerda Maria da Graça, que, en el pasado, trabajó en el Centro de Tecnología Copersucar, actual Centro de Tecnología de la caña de azúcar (CTC), en Piracicaba (SP), una de las principales instituciones de investigación del sector sucroalcoholero.

Otra gran barrera para la implementación industrial de ese proceso era la formación de un lecho de células estable que permitiese la operación del sistema por largos períodos sin grandes variaciones en las condiciones operacionales. Uno de los factores al cual la estabilidad del lecho está fuertemente asociada es la característica de las cepas presentes en los reactores. De ahí la importancia del trabajo hecho en el CPQBA. De las cerca de 300 cepas de levaduras floculantes aisladas de unidades industriales del país y almacenadas en el Banco de Cepas de la División de Biotecnología y Procesos del centro, 12 fueron seleccionadas para el estudio, financiado por la FAPESP.

Uno de los aspectos que el grupo buscó entender fue el perfil de floculación de cada una de las cepas, ya que el tamaño del copo formado está directamente relacionado al desempeño fermentativo del microorganismo. Para seleccionar las más eficientes, los investigadores escogieron 12 cepas y las colocaron en un reactor para ver como se comportaban durante la fermentación, las levaduras compiten entre sí y solamente las más eficientes permanecen en el proceso. La identificación de las 12 cepas empleadas en el estudio fue realizada por medio de electroforesis, método que aísla el ADN de las levaduras y traza un perfil de sus cromosomas. Al fin de los estudios, fueron seleccionadas dos cepas para uso en la planta piloto como inóculo, nombre dado a la semilla que da inicio al proceso de fermentación.

El grupo, formado también por el ingeniero químico Sílvio Roberto Andrietta, enfrentó otro desafío: desarrollar equipamientos específicos para  el uso de esas levaduras floculantes. El sistema piloto proyectado está constituido por dos biorreactores, tipo torre, de formato cilíndrico, más largos y finos que los convencionales, que trabajan en serie y tienen capacidad para fermentar 4.500 litros del mosto por hora, lo que significa una producción diaria de12 mil a 15 mil litros de etanol. Los tachos convencionales serían inadecuados, pues permitirían que los copos formados pasaran para adelante junto con el mosto  fermentado, causando la obstrucción en los equipamientos de destilación, explica Sílvio Andrietta. El central piloto, construido con el apoyo de un gran fabricante de máquinas para el sector azúcar y acohol que prefiere no ser identificado, está funcionando hace dos años con resultados prometedores, según los investigadores. Vamos a probar una zafra mas y ella estará lista para ser lanzada al mercado. Ya estamos en fase de aprobación del equipamiento para una industria del sector, afirma Maria da Graça. Creo que el proceso con levaduras floculantes será una alternativa interesante para los productores de alcohol.

Banco de datos – Otro proyecto desarrollado por los investigadores de la División de Biotecnología y Procesos del CPQBA tiene como objetivo hacer la caracterización de la composición celular de diferentes cepas de levaduras Saccharomyces cerevisiae floculantes o no de uso industrial. Con ese análisis, vamos, a saber, como están constituidas las cepas más empleadas en los procesos de fermentaciones industriales en el país, afirma la química Cláudia Steckelberg, coordinadora de la investigación, que también cuenta con el apoyo financiero de la FAPESP. La investigadora recolectó, de forma aleatoria, 35 cepas de levaduras dominantes utilizadas por centrales de azúcar y alcohol de diferentes estados, que están siendo evaluados con relación a cuatro parámetros: el desempeño fermentativo, la tolerancia al etanol, cariotipaje (o perfil cromosómico) y la composición celular (perfil de ácidos grasos).

El cariotipaje es hecho por el método de electroforesis, mientras la composición celular emplea un cromatógrafo de gas, que identifica los ácidos grasos presentes en el microorganismo ya se sabe que las levaduras más tolerantes al etanol son aquellas con altas proporciones de los ácidos grasos de tipo palmitoléico y oleico. Para evaluar el desempeño fermentativo de los microorganismos, los investigadores crean condiciones ideales de fermentación en laboratorio, colocan las 35 cepas juntas y observaran cuales de ellas fermentan mejor. El proyecto, todavía esta en ejecución y no tiene la finalidad de identificar la mejor levadura, sino conocerlas a fondo. Nuestra idea es crear un gran banco de datos que reúna informaciones sobre las características cinéticas (productividad y rendimiento) y de composición celular de ellas. Es una espécie de bioma de las levaduras, afirma Maria da Graça.

Gracias a los conocimientos adquiridos en dos décadas de investigaciones volcadas para el sector de azúcar y acohol, el grupo también ha trabajado en la identificación de otros microorganismos presentes en el ambiente cañaveral de interés industrial pero no directamente asociado a la producción de alcohol etílico. La finalidad de ese trabajo, fruto de dos disertaciones de maestría, es evaluar el potencial de cepas de bacterias aisladas de caña de azúcar en sintetizar productos de interés comercial a partir de la sacarosa, dice Maria da Graça. Los investigadores ya consiguieron aislar una bacteria encontrada en -los  cañaverales, la Leuconostoc sp., que produce un tipo de goma, llamada dextrana, muy utilizada por las fábricas de alimentos, medicamentos y cosméticos. Las gomas son biopolímeros de origen microbiana (gomas dextrana, xantana etc.) o vegetal (gomas guar, carragena etc.) con amplia aplicación industrial. La dextrana, por ejemplo, entra en la composición de alimentos como espesantes o estabilizador, garantizando su consistencia, y, en la industria farmacéutica, como sustituto del plasma sanguíneo.

El interés por esa nueva línea de investigación surgió a partir de la constatación de que las bacterias productoras de goma del tipo dextrana son frecuentemente encontradas en muestras de caña deteriorada. Ya caracterizamos tres gomas dextranas, con propiedades diferentes de las que existen en el mercado, que pueden ser empleadas en la industria de alimentos, dice la investigadora. Los estudios, todavía están en ejecución y, por el momento, todavía no fue hecho ningún contacto con las industrias potencialmente interesadas para la transferencia del conocimiento generado en los laboratorios del CPQBA.

Los Proyectos
1. Selección de levaduras floculantes para uso en reactores (tipo torre) con fluido en la  producción de etanol
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinador
Sílvio Roberto Andrietta – Unicamp
Inversión
116.567,13 reales (FAPESP)
2. Caracterización de levaduras industriales para la producción de etanol utilizando composición celular y características cinéticas
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinadora
Cláudia Steckelberg – Unicamp
Inversión
82.720,37 reales (FAPESP)
3. Producción de dextrana y oligossacáridos por nuevas cepas  aisladas de la caña de azúcar
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinadora
Maria da Graça Stupiello Andrietta – Unicamp
Inversión
92.778,99 reales (FAPESP)

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