Download producción de etanol a partir de suero de leche

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PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE SUERO DE LECHE
S. M. Carrión1, D. E. Molina2, Y. Piñeros3*
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Estudiantes Ingeniería de Alimentos, Universidad de Bogota Jorge Tadeo
Lozano, Bogotá, Colombia.
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Docente Ingeniería de Alimentos, Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano,
Bogotá, Colombia.
Dirección electrónica: yineth.pineros@utadeo.edu.co
1. RESUMEN
El objetivo del trabajo fue obtener etanol a partir de suero de leche mediante el
cultivo de Saccharomyces cerevisiae. Primero se hidrolizó la lactosa mediante la
enzima β-galactosidasa. Para lograr la hidrólisis y seleccionar el mejor sistema
de inmovilización enzimática se utilizó como soportes alginato de calcio, alginato
de calcio con tierra de diatomáceas y alginato de calcio con silica gel.
Los
porcentajes de hidrólisis de la lactosa fueron 49.57%, 75.21% y 72.65%,
respectivamente, encontrándose superioridad del catalizador enzima-alginato de
calcio-sílica gel. Teniendo en cuenta los resultados, se utilizaron estos
catalizadores biológicos para la hidrólisis de la lactosa presente en el suero de
leche y la posterior producción de etanol.
2. INTRODUCCIÓN
Durante miles de años el etanol ha sido producido para el consumo humano,
especialmente para la obtención de bebidas alcohólicas concentradas mediante
destilación. En la actualidad el alcohol ha retomado mayor importancia debido a
su utilización como combustible (mezclado con gasolina) para automóviles
(Trevan, 1990).
El alcohol se puede producir por rutas químicas (hidratación catalítica del etileno)
y por rutas biotecnológicas (fermentación). Mediante ésta última se hace uso de
la capacidad de los microorganismos para la producción de etanol sobre
sustratos baratos y disponibles, dentro de los cuales se encuentran lactosa,
xilosa y almidón. A través de procesos biotecnológicos se busca producir etanol
a partir de desechos orgánicos como el suero de leche (fuente de lactosa) el cual
se genera como un residuo en procesos lácteos. La levadura Saccharomyces
cerevisiae ha sido tradicionalmente usada para la producción de etanol
(Trevan,1990). Para la producción de etanol a partir de suero de leche mediante
el cultivo de S. cerevisiae, es necesario realizar la hidrólisis de la lactosa para
obtener glucosa y galactosa como sustratos, reacción mediada por la βgalactosidasa.
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La inmovilización de enzimas se ha convertido en el mecanismo de estabilización
de las enzimas favoreciendo las condiciones de trabajo a gran escala (Madigan et
al., 1998).
3. METODOLOGÍA
3.1. Inmovilización de la enzima β-galactosidasa
Se inmovilizó la enzima β- galactosidasa (Novazym, Novozymes) mediante
alginato de calcio (alginato de sodio 1,5% en CaCl2 0.05M), alginato de calcio
más silica gel 0.2% (Merck) y alginato de calcio mas tierra de diatomáceas 0.2%
(Merck). La concentración de la enzima en los inmovilizados fue del 10%.
3.2. Medición de la actividad de la β-galactosidasa inmovilizada
Se utilizó una solución de lactosa al 1% como sustrato. La hidrólisis enzimática
se llevó a cabo a 30ºC durante 24 horas, en una columna de vidrio como soporte
para los inmovilizados, con una relación 4,5 mL de enzima/100 mL de solución
de lactosa. El contenido de lactosa se cuantificó mediante el método de Fheling
modificado (AOAC 974.06, 1996).
3.3.
Producción de etanol
El suero de leche fue obtenido de una fábrica de quesos ubicada en Bogotá. Se
esterilizó a 121ºC durante 15 minutos. Posteriormente se tomaron 200 mL de
sobrenadante; para la hidrólisis de la lactosa se utilizó β-galactosidasa
inmovilizada asépticamente (4.5 mL de enzima). Luego se adicionaron 0,1 g de
levadura Saccharomyces cerevisae (Levapan) y se dejó en fermentación durante
4 días a 30ºC, sin agitación. Posteriormente se realizó una destilación simple a
temperatura controlada de 75ºC. El porcentaje de etanol en el destilado se
cuantificó mediante índice de refracción (Refractómetro Fisher Scientific, rango
0-28).
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. Inmovilización de β-galactosidasa
Los resultados de los ensayos relacionados con la actividad de la β-galactosidasa
inmovilizada, se presentan en la Tabla 1. Se puede observar que la menor
cantidad de lactosa presente luego de la hidrólisis se presentó con la enzima
inmovilizada en alginato de calcio con silica – gel.
Con este catalizador
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enzimático se logró un porcentaje de hidrólisis de la lactosa de un 75,21%, es
decir un 51.72% más que con el inmovilizado realizado únicamente con alginato
de calcio.
Este comportamiento puede deberse a las propiedades de superficie
de la silica gel, ya que permite el mejor desempeño de la enzima y además
favorece los procesos difusivos al interior del catalizador. Teniendo en cuenta
este resultado, se utilizó β-galactosidasa inmovilizada en alginato de calcio con
sìlica gel para la hidrólisis de suero de leche, para producir etanol.
Tabla 1.
Hidrólisis de lactosa mediante β-galactosidasa inmovilizada.
Sistema de inmovilización
Concentración de lactosa
luego de la hidrólisis (% p/V)
% de hidrólisis
Alginato
0.59%
49.57%
Alginato + silicagel
0.29%
75.21%
Alginato + tierra
diatomea
0.32%
72.65%
4.2. Producción de etanol
Luego del cultivo de Saccharomyces cerevisiae sobre el suero de leche
hidrolizado, se destiló para encontrar el rendimiento producto sustrato (Yps) en
gramos de etanol/gramos de lactosa. Para cuantificar la concentración de etanol
en el destilado se realizó una curva de calibración mediante índice de refracción
utilizando etanol al 96%. Esta curva presentó un factor de correlación líneal de
0.9849, correspondiente a IR (Índice de refracción) = 26.89 * (Concentración
de etanol en mL etanol/mL solución) – 0.1494.
La concentración de etanol en
el destilado fue de 0.027 ml/ml de destilado, por lo tanto el valor del
rendimiento producto sustrato (Yps) es 2,722 x 10-3 g etanol/g lactosa.
El rendimiento obtenido presenta un valor bajo; por lo tanto se debe realizar un
estudio más profundo acerca de las condiciones de hidrólisis del suero de leche y
del cultivo de Saccharomyces cerevisiae para la producción de etanol. Lo mismo
que establecer mecanismos que permitan hacer el seguimiento de las reacciones
bioquímicas.
5. CONCLUSIONES
Se logró establecer un sistema de inmovilización de la β-galactosidasa, que
favorece la actividad enzimática, conformado por alginato de calcio y sílica gel.
Por otro lado, se logró obtener etanol a partir de lactosa presente en el suero de
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leche, mediante el cultivo de Saccharomyces cerevisiae. Este tipo de procesos
favorece el aprovechamiento de desechos orgánicos de la industria láctea.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
A.O.A.C. 1996. Official Methods of Analysis of AOAC International. 16th ed.,
AOAC International. Gaithersburg, M.D.
Doran, P. 1998. Principios de la Ingeniería de los Bioprocesos. Editorial Acribia
S.A. Zaragoza, España. 468p.
Madigan, M.;
Martinko, J.; Parker, J.
1998.
Brock Biología de los
Microorganismos. Editorial Prentice Hall. Madrid, España. 986p.
Trevan, M.D. 1990.
Biotecnología: Principios biológicos. Editorial Acribia.
Zaragoza, España. 284p
Whiteburst, R. 2002, Enzymes in Food Technology. Editorial Sheffield Academic
Press. Nueva York, USA. 225p.