Visión general de la química, acción y aplicación de enzimas celulasas para la mobtención de bioetanol a partir de materiales lignocelulósicos

1. ESCUELA POLITÉCNICA
NACIONAL
INGENIERÍA QUÍMICA
BIOQUÍMICA
ENZIMA CELULASA
Barba Miguel
Flores David
Herrera Pamela
Maldonado Vanessa

2. 1. INTRODUCCIÓN
La aplicación de las enzimas en los
procesos industriales ha sido investigada
ampliamente desde los años 50 y hoy en
día muchas de las reacciones que usan
catálisis biológicas tienen aplicación
comercial.
Actualmente, la mayor parte del mercado
(65% de las ventas) corresponde a las
preparaciones enzimáticas para
aplicaciones industriales (detergentes,
textiles, cuero, pulpas, papel y cuidado
personal), seguido por las enzimas para el
sector alimenticio con un 25%
(fabricación de cerveza, vino y jugo,
grasas y aceites, industrias de
panificación) y las enzimas para
productos de alimentación con un 10%.
En el 2012, la última estimación del
mercado global para la utilización de
enzimas en la industria creció un 7%.

3. 1%
8%
13%
16%
28%
34%
Household care enzymes Bioenergy enzymes
Microorganisms Food and beverage enzymes
Feed and other technical enzymes Biopharma
Figura 1. Ventas anuales de enzimas a nivel mundial

4. El punto de inicio del
mercado de celulasas
específicas correspondió a
la comercialización por la
compañía NOVO en
1985. Las celulasas, que
son un grupo de enzimas
que incluyen
endoglucanasas que
hidrolizan el polímero de
celulosa y B-glucosidasas
que rompen las unidades
de celobiosa para liberar
glucosa, se han convertido
en el tercer grupo más
grande de producción
enzimática desde el inicio
del siglo XXI.

5. • En la remoción de impurezas y modificación de
propiedades físicas de las fibras, tratamiento
controlado de las fibras de celulosa, creación de
suavidad en las fibras, generación de un aspecto
descolorido de vestidos, y procesos de acabado
textil.
Industria
textil
• En la formulación de detergentes que ha emergido
debido a su capacidad para modificar la superficie
celulósica del hilo de las prendas
Lavandería
• Donde actúan como reforzadores de los
blanqueadores aplicados en estos procesos y reducen
el tiempo de refinación.
Pulpa y
papel
• Crean un complejo de óptima maceración en la
producción de estos productos, además de mejorar su
estabilidad, rendimiento de la hidrólisis, y
filtrabilidad.
Cervecería y
vino
• Siendo útiles en los pasos de extracción y
clarificación para los jugos, néctares y purés de
frutas y vegetales, mejoramiento de la calidad de
cereales, aceite de oliva y una gama universal de
alimentos.
Industria de
alimentos
Tradicionalmente las celulasas se han usado en:

6. Actualmente, el desarrollo de
biocombustibles derivados de
materiales celulósicos está en
espera de liderar la demanda
industrial de celulasas.
La producción de bioetanol de
biomasa lignocelulósica está
emergiendo como una de las
más importantes tecnologías
para una producción
sustentable de combustibles
renovables para el transporte.
El etanol tiene un octano
superior que la gasolina y
produce menos emisiones, por
lo cual se considera el perfecto
sustituto de la gasolina.
Debido a estas ventajas,
actualmente existe un gran
interés en la comercialización
de estas tecnologías.
La producción de bioetanol de
biomasa lignocelulósica
incluye un pretratamiento,
hidrólisis y recuperación de
etanol.

7. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1. Celulasas industriales
 De todos los filamentos fungi investigados para la
producción de celulosa, le mejora con éxito de
cepas se ha posicionado con el género
Trichoderma para la producción de degradantes de
celulosas o enzimas modificadoras.
 Inicialmente, las celulosas industriales se obtenían
de cepas de hongos aeróbicos de Tricoderma
reesei, Tricoderma viride o Tricoderma lon-
gibrachiatum, pero el potencial de la cepa
Tricoderma. reesei QM6a emergió rápidamente
debido a su superior efectividad.
 Esta cepa, descubierta en 1960, tiene la capacidad
de producir glucósidos hidrolasas que permiten una
completa y eficiente sacarificación de los polímeros
de glucano naturales.
 En condiciones naturales el Tricoderma reseei
secreta celulasas para convertir la celulosa en
glucosa que se usa como energía y fuente de

8. 2.2. APLICACIONES DE LAS CELULASAS
DE TRICODERMA EN LA PRODUCCIÓN DE
BIOETANOL
Algunas plantas piloto se encuentran actualmente en
funcionamiento.
La más importante está conducida por el Laboratorio
Nacional de Energía Renovable en USA con una
producción de 120 000 L de bioetanol por año.
Desde el 2003, la Corporación Logen en Canadá opera
un prototipo con una capacidad de producción de 320
000 l por año usando paja de trigo como biomasa.
En Europa, específicamente en Alemania, España,
Dinamarca, Finlandia e Italia, cinco proyectos tienen una
demanda de más de 100 toneladas de bioetanol por año.
Más proyectos están siendo desarrollados para operar
próximamente.

9. 2. OBTENCIÓN
INDUSTRIAL DE LA
CELULASA
2.1 Panorama del mercado

10. 2.2 CELULASAS INDUSTRIALES
Trichoderma
reesei
Tricoderma
viride
Trichoderma
longibrachiatum

11. 2.3 OBTENCIÓN DE ENZIMAS
CELULASAS POR FERMENTACIÓN
SÓLIDA
 Preparación de la semilla de las cepas
de hongos.
Selección Lavado
Esterilización
(400g)
AgitaciónCortadoIncubación
121 °C
22-24
°C
Agua

12.  Obtención de enzimas celulasas por
fermentación sólida
Trituración
Esterilización
(12g)
MezcladoIncubación
121 °C
22-24
°C
semilla
Residu
o
banan
o

13.  Extracción de enzimas
Agitación Prensado
Centrifugación
30 ml
citrato
EXTRACTO
ENZIMÁTICO

14.  Determinación de la actividad
enzimática
La actividad
enzimática
se reporta
en UI

15. 2.4 LIMITACIONES DE LA
PRODUCCIÓN INDUSTRIAL
BAJA PRODUCCIÓN
PRESENCIA DE AZÚCARES
CRECIMEINTO CELULAR
COSTOS DE PRODUCCIÓN

16. 3. REACCIONES Y
MECANISMOS
CELULASAS HIDROLIZAR
COMPLEJO
ENZIMAS
CELULOTICAS
Endoglucanasas
Exoglucanasas
Celobiohidrolasas
𝛃-Glucosidasas
3.1. Generalidades

17. 3. REACCIONES Y
MECANISMOS
CELOBIOHIDROLASA ENDOGLUCANASA
EXOGLUCANASA
ß-GLUCOSIDASA
3.2. Mecanismo de acción

18. 3. REACCIONES Y
MECANISMOS
3.3 SINERGÍA

19. 3. REACCIONES Y
MECANISMOS
3.4. Módulos de unión a carbohidratos
(CBM)

20. 3. REACCIONES Y
MECANISMOS
3.4. Módulos de unión a carbohidratos
(CBM)

21. 3. REACCIONES Y
MECANISMOS
3.5. Modelos del mecanismo de
reacción
Retenció
n
Inversión

22. 3. REACCIONES Y
MECANISMOS
3.6. Cinética

23. 4. APLICACIÓN DE LA
TRICHODERMA CELULASAS EN LA
INDUSTRIA DEL BIOETANOL

24. 4. 1 INTRODUCCIÓN
 La conversión de lignocelulosa
 Costo de etanol
 Prohibitivos gastos de inversión en
materia prima vegetal

25.  Las aplicaciones se han encontrado
en la industria textil, alimentos,
detergentes, las industrias de pulpa y
papel.

26. Preparación
del sustrato
Pretratamiento Hidrolisis
FermentaciónDestilaciónRecuperación
Etanol
4.2 PROCESOFísicos
Químicos
Físico-químicos
Biológicos
Ácida
Enzimática

27. 4.2.1 PRETRATAMIENTO BIOLÓGIC
Disociar por completo
la lignina –
polisacáridos
Celulosa reduzca
grado de cristalinidad
Ventajas
 No se requieren
instalaciones ni
equipos costosos
 Bajo requerimiento
energético
 Condiciones
ambientales
positivas

28. 4.2.2 HIDROLISIS
ENZIMÁTICA

29. 4.3 COSTOS
 Producción in situ
 Compra de enzimas externas como
consumibles.
 A pesar de un precio relativamente barato , la
lactosa es uno de los principales factores de
costo en la producción de celulasas .
 Otro procedimiento posible opción con la
producción in situ de las enzimas es el uso
de todo el caldo de fermentación de T. reesei
para cortar aguas abajo los costos de
procesamiento .
 El DOE EE.UU. ( Departamento de EE.UU.
de Energía ) estimó que el costo de la
enzima debe estar por debajo $ 0.12 por
galón de etanol para producir etanol