Generación de biogás a partir de la degradación de lignina de paja de trigo
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Los residuos agrícolas se producen en grandes cantidades y comúnmente son incinerados en los campos de cultivo. Estos podrían ser fuente alternativa de energía si se consigue la despolimerización de su lignina mediante el uso de hongos ascomicetos, para su posterior biodigestión anaerobia.
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Generación de biogás a partir de la degradación de lignina de paja de trigo
- 1. M.C. Eduardo Baltierra Trejo I I A F IIQB Generación de biogás a partir de la degradación de lignina de paja de trigo Sahuayo, Mich., 27 de enero de 2015 Dra. Liliana Márquez Benavides Dr. Juan Manuel Sánchez Yáñez Directora Codirector
- 3. Problemática Cultivo Producción (106 Ton/año) Residuo (106 Ton/año) Maíz 22.1 42.4 Caña de azucar 50.9 15.3 Sorgo 7.0 7.7 Trigo 2.3 2.9 Cebada 1.0 1.4 Soya 0.2 0.3 Arroz 0.2 0.2 Avena 0.1 0.1 Total 84 70 Producción residuos agrícolas (2012)
- 4. Justificación Vacas de engorde: 55-60% TND 8-11% proteína, Limitación en dieta: <25% Relación C/N: 130-150:1 Proteína (%) Calcio (%) Fósforo (%) Total de nutrientes digeribles (TND) (%) Paja arroz 3.6 0.22 0.08 41 Paja trigo 3.4 0.18 0.11 43 Paja lino 5.4 0.26 0.08 43 Paja soya 5.2 0.19 0.09 43 Paja cebada 4.9 0.13 0.08 44 Paja garbanzo 6.5 -- -- 45 Paja chícharo 6.4 0.60 0.19 45 Paja lenteja 8.5 0.65 0.20 45 Paja avena 4.5 0.26 0.10 48 Paja alfalfa 14 1.30 0.19 61 Soya grano 49.9 0.40 0.71 84 Mazorca maíz 9.0 0.03 0.31 88
- 5. Lignina Xu et al., 2006
- 6. Lignina Cultivo Lignina (%) Celulosa (%) Hemicelulosa (%) Álamo 27.7 48.9 17.3 Eucalipto 26.91 48.07 16.76 Pino 25.9 41.7 23.1 Bagazo caña 23.09 39.01 27.08 Mazorca maíz 18.7 38.5 32.8 Rastrojo maíz 18.59 37.69 22.6 Pasto varilla 17.56 30.97 25.55 Paja trigo 16.85 35.8 26.8 Paja sorgo 16.09 44.6 25.3 Paja arroz 15.38 35.62 11.96 Paja frijol 9.35 30.64 23.14 Carroll y Somerville, 2009
- 7. Uso biotecnológico Proyecto SENER, 2013 PAJA DE TRIGO Hidrógeno Bioetanol Biogás Aromáticos Ácidos grasos Fitohormonas
- 8. (a) (b)(a) (b) Despolimerización Talebnia et al., 2010 Lignina de trigo Físico-químicos Ácido Alcalino Agentes oxidantes Hidrotérmicos Biológicos Basidiomicetos Ascomicetos
- 9. Lacasa O2 H2O LiP Oxidasas Radicales libres H2O2 Dashtban et al., 2010 MnP Mn3+ Mn2+ Mediador quelado (oxalato) Despolimerización Hemeperoxidasa Enzimas: Lacasa, lignina peroxidasa (LiP) y Manganeso peroxidasa (MnP)
- 11. Justificación 7.3 Ton/ha de paja de trigo 233 kg CO2/ha. 296 kg Biogás/Ton paja Productos con potencial biotecnológico Conrado et al., 2010
- 12. a Despolimerización de lignina Ascomicetos Metanogénesis Archeobacterias Energía de lignina Lignina Aromáticos Cetoadipico Acidos grasos CH4
- 13. Objetivo general Generar biogás mediante un proceso biológico híbrido que una la despolimerización de la lignin residual de paja de trigo con la fermentación anaerobia de los ácidos grasos. Objetivos
- 14. Objetivos particulares Determinar la generación de aromáticos y ácidos grasos de cadena corta utilizando los hongos Aspergillus y Penicillium por despolimerización de la lignina residual de paja de trigo. Establecer si la producción de ácidos grasos de cadena corta tiene potencial para la generación de CH4 en un biodigestor anaerobio. Objetivos
- 15. Digestión anaerobia OxidaciónDespolimerizaciónPreparación Metodología Paja de trigo Lignina Pretrata- miento Aromáticos Despoli- merización Ascomicetos Cetoadipato Ácidos grasos Metano Arqueo bacterias Metano- genesisis Análisis de conversión Identificación y cinética Actividad enzimática Identificación Caracterización
- 17. Despolimerización Despolimerización de lignina residual de paja de trigo por ascomicetos en 28 dias de cultivo. aa ab ab ab ab b b c c c c 0 5 10 15 20 25 30 35 40 A.fumigatusAA4 P.chrysogenumAT4 Control A.fumigatusAA4 P.chrysogenumAT4 Control A.fumigatusAA4 P.chrysogenumAT4 Control A.fumigatusAA4 P.chrysogenumAT4 Control 20 30 40 50 %despolimerización Concentración lignina (g/L)
- 18. Aromáticos 1234 Guayacol Vainillina Hidroxibenzoico Vainillínico Siringico Ferulico Penicillium chrysogenum en la cinética de producción de aromáticos por la despolimerización de lignina resisudal de paja de trigo. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1 2 3 4 Aromáticos(mg/L) Tiempo (semanas) Penicillium chrysogenum AT4 en lignina paja de trigo 50 g/L
- 19. Comparativo de la producción de compuestos aromáticos en investigaciones reportadas en la literatura Hongo Sustrato Aromáticos Tiempo Fuente P. chrysogenum lignina de paja de trigo ácido vainillínico 1,5 mg mL-1 guayacaol 2,76 mg mL-1 ácido siríngico 5,7 ácido ferúlico 8,4 mg mL-1 7 días Esta investigación Lentinus crinitus Plátano (Musa paradisiaca L.) ácido ferúlico 0,6 mg mL-1 vainlillina 0,04 mg mL-1 ácido vainillínico 0,6 mg mL-1 eugenol 254 mg mL-1 16 días Granda et al. (2005) Pycnoporus cinnabarinus ácido ferúlico extraído de rastrojo de maíz vainillina 0,767 mg mL-1 8 días Lesage-Meessen et al. (2002) Pycnoporus cinnabarinus ácido ferúlico vainillina 0,064 mg mL-1 7 días Lomascolo et al. (1999) Síntesis química lignina de paja de trigo ácido ferúlico2 mg g-1 ácido coumárico 1,5 mg g-1 vainillina 0,30 mg g-1 ácido vainillínico 0,25 mg g-1 ---- Tapin et al. (2006)
- 20. Análisis de ácidos grasos 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 2 3 4 Concentración(mg/L) Tiempo (semanas) Aspergillus fumigatus AA4 en lignina de paja de trigo 20 g/L Acético Propiónico Isobutírico Butírico Isovalérico Valérico Caproico Aspergillus fumigatus en la cinética de producción de ácidos grasos por la despolimerización de lignina residual de paja de trigo.
- 21. Análisis de ácidos grasos Material Tipo de proceso Ácidos grasos de cadena corta Concentración (mg L-1) Referencia Hongo mitospórico ligninolítico y levaduras Lignina residual de paja de trigo (20 g L-1) Biosíntesis con Aspergillus fumigatus acético propiónico isobutírico butírico isovalérico valérico caproico 5788 2885 2845 2970 2786 2823 1079 Este trabajo Hemicelulosas de paja de trigo Pichia stipitis acético 2700 Nigam (2001) Bacterias Lignina purificada Biosíntesis con Escherichia coli adípico N.E. Sauer et al. (2014) Lignina purificada Bacillus limnephilus acético N.E. Yang et al. (2014) Basidiomicetos Lignina purificada Biosíntesis con Nematoloma frowardii acético, fórmico, glioxílico, oxálico y malónico. N.E. Hofrichter et al. (1998) Tratamientos fisicoquímicos Paja de trigo (hemicelulosas y celulosas) Tratamiento hidrotérmico reactor 3 etapas (180ºC, 200 kg agua/h) acético 3900.9 Thomsen et al. (2008) Mixtos Paja de trigo Pretratamiento por explosión de vapor y digestión anaerobia butírico valérico caproico 3221 112 107 (Ahring et al., 2015)
- 22. Mecanismo de generación de ácidos grasos de cadena corta a partir de LIREPATO. Proceso de conversión de la lignina residual de paja de trigo en ácidos grasos de cadena corta por Aspergillus fumigatus.
- 23. Capacidad de los ascomicetos de despolimerizar similar o superior a la de los basidiomicetos. Aspergillus spp y Penicillium spp son una opción ambientalmente segura en el aprovechamiento de la lignina residual de paja de trigo para la biosíntesis de aromáticos y ácidos grasos de cadena corta de interés biotecnológico. Conclusiones
- 24. D.C. Eduardo Baltierra Trejo Artículos Científicos publicados del autor: Baltierra-Trejo, E., Sánchez-Yáñez, J. M., Buenrostro-Delgado, O., & Márquez-Benavides, L. (2015). Production of short-chain fatty acids from the biodegradation of wheat straw lignin by Aspergillus fumigatus. Bioresource Technology, 196, 418-425. Baltierra-Trejo, E., Márquez-Benavides, L., & Sánchez-Yáñez, J. M. (2015). Inconsistencies and ambiguities in calculating enzyme activity: The case of laccase. Journal of Microbiological Methods, 119, 126-131. Baltierra-Trejo, E., Márquez-Benavides, L., del Consuelo Hernández- Berriel, M., & Sánchez-Yáñez, J. M. (2016). Aromatic monomers generation by Aspergillus and Penicillium spp from residual wheat straw lignin | Generación de monómeros aromáticos por Aspergillus y Penicillum spp a partir de lignina residual de paja de trigo. Vitae, 22(3), 197-204. Baltierra-Trejo, E., Silva-Espino, E., Márquez-Benavides, L., & Sánchez-Yáñez, J. M. (2016). Inducción de la degradación de lignina de paja de trigo en aromáticos por Aspergillus spp. y Penicillium chrysogenum. Journal of the Selva Andina Research Society, 7(1), 10- 19. ORCID: 0000-0002-9000-2987 ResearcherID: B-6105-2016
- 25. D.C. Eduardo Baltierra Trejo Contacto: E-mail: baltierrachess@gmail.com Facebook: @BaltierraT Twitter: @Baltierra_Trejo Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Instituto de Investigaciones Agropecuarias y Forestales Laboratorio de Residuos Sólidos y Uso eficiente de Energía Av. San Juanito Itzicuaro s/n Col. San Juanito Itzicuaro, Morelia Michoacán, México C.P. 58341 Tel. Tel. +52 (443)334 04 75 Ext 116
- 26. IIAF IIQB Dra. Liliana Márquez Benavides lmarquez@umich.mx Dr. Juan Manuel Sánchez Yáñez syanez@umich.mx M.C. Eduardo Baltierra Trejo baltied@yahoo.com.mx Agradecimientos
Notas del editor
- Recarcar recalcitrancia Se recalcarán los siguientes aspectos: Existe a nivel mundial una producción de paja de trigo subaprovechada: 354 millones de toneladas (Sánchez, 2008). Tiene un potencial energético, sin embargo la mayoría se quema “in situ”. En México la generación del residuo agrícola es de 4, 378, 000 toneladas (García, 2011), siendo focos de generación el Valle de Mexicali (548, 764 toneladas y el bajío). Esta biomasa es susceptible de convertirse en fuente de energía como bioetanol y biogás.
- Recarcar recalcitrancia Se recalcarán los siguientes aspectos: Existe a nivel mundial una producción de paja de trigo subaprovechada: 354 millones de toneladas (Sánchez, 2008). Tiene un potencial energético, sin embargo la mayoría se quema “in situ”. En México la generación del residuo agrícola es de 4, 378, 000 toneladas (García, 2011), siendo focos de generación el Valle de Mexicali (548, 764 toneladas y el bajío). Esta biomasa es susceptible de convertirse en fuente de energía como bioetanol y biogás.
- Recarcar recalcitrancia Se recalcarán los siguientes aspectos: Existe a nivel mundial una producción de paja de trigo subaprovechada: 354 millones de toneladas (Sánchez, 2008). Tiene un potencial energético, sin embargo la mayoría se quema “in situ”. En México la generación del residuo agrícola es de 4, 378, 000 toneladas (García, 2011), siendo focos de generación el Valle de Mexicali (548, 764 toneladas y el bajío). Esta biomasa es susceptible de convertirse en fuente de energía como bioetanol y biogás.
- El gol el metabolismo. No existen reportes! La lignina al ser despolimerizada, libera monómeros aromáticos de interés que biotecnológico (Varnaité & Roudoniené, 2005), sustratos susceptibles de transformarse en combustibles como biogás (Sánchez, 2009); bioetanol (Dashtban et al., 2010) o hidrógeno (Quéméneur et al., 2012); alimento para rumiantes (Tuyen et al., 2012), así como metabolitos de valor industrial y farmaceútico como la vainillina, el guayacol, la tirosina, el ácido ferúlico, el gallico, el hidroxibenzoico, el siríngico, el vainillínico, entre otros (Buranov & Mazza, 2008; Widsten & Kandelbauer; 2008). La vainillina es el aromático de mayor valor comercial, es usado en saborizantes, fragancias y farmacéuticos, la de origen sintético tiene un costo de US$15/Kg mientras que la natural de US$4500/Kg
- La paja está constituida por remanentes estructurales de la pared celular vegetal: la celulosa (39%), la hemicelulosa (38.7%) y la lignina (17%) (Xu et al., 2006). La celulosa es un polímero homogéneo formado por cadenas lineales de glucosa unida por enlace β-1-4. La hemicelulosa es un polímero heterogéneo formado por pentosas (xilosa, arabinosa), hexosas (manosa, glucosa y galactosa) y azucares ácidos unidos por enlace β-1,4 y β-1,3.
- La paja está constituida por remanentes estructurales de la pared celular vegetal: la celulosa (39%), la hemicelulosa (38.7%) y la lignina (17%) (Xu et al., 2006). La celulosa es un polímero homogéneo formado por cadenas lineales de glucosa unida por enlace β-1-4. La hemicelulosa es un polímero heterogéneo formado por pentosas (xilosa, arabinosa), hexosas (manosa, glucosa y galactosa) y azucares ácidos unidos por enlace β-1,4 y β-1,3.
- La paja está constituida por remanentes estructurales de la pared celular vegetal: la celulosa (39%), la hemicelulosa (38.7%) y la lignina (17%) (Xu et al., 2006). La celulosa es un polímero homogéneo formado por cadenas lineales de glucosa unida por enlace β-1-4. La hemicelulosa es un polímero heterogéneo formado por pentosas (xilosa, arabinosa), hexosas (manosa, glucosa y galactosa) y azucares ácidos unidos por enlace β-1,4 y β-1,3.
- Razones de ascomicetos
- El mecanismo de despolimerización inicia por la ruptura de uniones Cα-Cβ y β-O-4 aril con la formación de aromáticos, seguido por la oxidación de los grupos funcionales por demetilación con formación de grupos alcohol y oxidación de los grupos metil y oximetil en grupos carboxilo y finalmente la ruptura de anillos aromáticos con la producción de ácidos grasos (Ferraz & Duran, 1995). Se han caracterizado en ascomicetes 3 enzimas involucradas en la despolimerización de la lignina: la lacasa (Lac), la ligninina peroxidasa (LiP) y la manganeso peroxidasa (MnP) La Lac es una glicoproteína dependiente de cobre que cataliza la oxidación aromáticos y no aromáticos acoplando la reducción de O2 en 2 moléculas de H2O y generación de radicales libres. Las LiP es una glicoproteínas con un grupo prostético Fe, dependiente de H2O2, que cataliza la oxidación de aromáticos, ruptura de uniones C-C y C-O; su actividad no requiere la participación de intermediarios debido a su alto potencial redox. La MnP es una heme-glicoproteína dependiente de H2O2 y de la oxidación de Mn2+ a Mn3+, el cual se libera de la enzima al unirse al oxalato que actúa como un mediador de reacciones de óxido-reducción de monoaromáticos y en la generación de radicales libres (Dashtban et al., 2010).
- (PC 23.8 MJ/kg) 51260000Ton 1000000000Ton El gol el metabolismo. No existen reportes! La lignina al ser despolimerizada, libera monómeros aromáticos de interés que biotecnológico (Varnaité & Roudoniené, 2005), sustratos susceptibles de transformarse en combustibles como biogás (Sánchez, 2009); bioetanol (Dashtban et al., 2010) o hidrógeno (Quéméneur et al., 2012); alimento para rumiantes (Tuyen et al., 2012), así como metabolitos de valor industrial y farmaceútico como la vainillina, el guayacol, la tirosina, el ácido ferúlico, el gallico, el hidroxibenzoico, el siríngico, el vainillínico, entre otros (Buranov & Mazza, 2008; Widsten & Kandelbauer; 2008). La vainillina es el aromático de mayor valor comercial, es usado en saborizantes, fragancias y farmacéuticos, la de origen sintético tiene un costo de US$15/Kg mientras que la natural de US$4500/Kg
- Se identificaron 6 monómeros aromáticos producto de la despolimerización de la LIRPT, el guayacol fue generado en mayor cantidad por el ascomiceto Penicillium AT3 con 3.5 mg/mL de medio LIRPT en la semana 2, la vainillina por Penicillium AT3 con 2.6 mg/mL en la semana 4, el ácido hidroxibenzoico por Penicillium AT4 con 3.2 mg/mL en la semana 2, el ácido vainillínico por Aspergillus AT11 con 3.3 mg/mL en la semana 3 pero en el promedio de las 4 semanas fueron mejores Penicillium AT3 y AT4; el ácido siríngico por Aspergillus AT12 con 10.1 mg/mL en la semana 1, el ácido ferúlico por Penicillium AT3 con 21.9 mg/mL en la semana 3 (Figura 3, Tabla 3). El ascomiceto que produjo mayor cantidad de aromáticos fue Penicillium AT3 con mayor actividad entre la segunda y tercera semana de crecimiento, seguido por Penicillium AT4 el cuál fue el único hongo que produjo los 6 tipos de aromáticos de manera constante (Figura 4). Penicillium AT4 fue el ascomiceto con mayor actividad enzimática y mayor tasa de despolimerización de LIRPT, pero su producción de aromáticos fue menor a la de Penicillium AT3, debido posiblemente a que metaboliza los aromáticos con mayor eficiencia que los otros ascomicetos generando mayor biomasa celular. La producción de aromáticos por los ascomicetos Penicillium AT3 y AT4 fue superior a la reportada por el basidimiceto Lentinus crinitus realizó en la despolimerización de residuos de platano (Musa paradisiaca L.) generando ácido ferúlico, vainillina y ácido vainillínico en concentración de 0.6, 0.04 y 0.6 g/L en 16 días de cultivo (Granda et al., 2005).