DISEÑO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN BIOLÓGICA DE ÁCIDO SUCCÍNICO A PARTIR DE ACTINOBACILLUS SUCCINOGENES (GRUPO 6)

PRIMERA ENTREGA

JOYCE ISABEL AGUILAR RIBERO (2103502)

ADOLFO ERLAI RODRIGUEZ (2093605)

NINI JOHANA OSPINA CHINCHILLA (2100389)

CRISTIAN GIOVANY PALENCIA BLANCO (2103549)

Profesora:

VIVIANA SANCHEZ TORRES

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍA QUIMICA

BIOPROCESOS

BUCARAMANGA

ENERO 27-2014

INTRODUCCIÓN

Es evidente que actualmente estamos en medio de una problemática ambiental de importante magnitud, el agotamiento de recursos, el cambio climático, la contaminación de los cuerpos de agua, contaminación de suelos son solo algunas de las consecuencias que padecemos a diario, y aunque ya existen normativas de sostenibilidad hay que decir que vivimos en una sociedad en la que la conciencia ambiental es una filosofía que apenas está empezando a desarrollarse, es decir, se debe reconocer la necesidad de inculcar un cambio de pensamiento para así redefinir las rutas que se están siguiendo en la búsqueda del desarrollo económico y social, entendiendo que actualmente esto ya no se trata de una opción sino que es una necesidad fundamental para garantizar la sostenibilidad del planeta.

A nivel internacional hoy en día las nuevas alternativas están recibiendo una atención creciente, desde el campo industrial se puede hablar del desarrollo y la implementación de bio-procesos, la reutilización de desechos, el uso de biomasa como materias primas, en general, la implementación de procesos que cumplan con esos criterios de sostenibilidad. Sin embargo, en Colombia los compuestos químicos que se necesitan en la industria como materias primas son obtenidos en su mayoría de manera sintética, hoy por hoy, las empresas en Colombia mantienen líneas de producción bajo esquemas tradicionales y convencionales, que además de generar impactos al ambiente, las pone adicionalmente en desventaja en términos de productividad y competitividad. A ello se suma otra barrera que es que el país tiene limitaciones importantes en materia de investigación y generación de conocimiento en producción y consumo sostenible, incluido el diseño de productos y servicios con criterios ambientales y el uso de materias primas que faciliten procesos de aprovechamiento de los residuos, rezagando así los procesos de innovación tecnológica y la transferencia de conocimiento. 1

Enfocándonos en la industria nacional de plástico, según ACOPLASTICOS, en términos generales, el consumo de plástico en Colombia es bajo en comparación con países desarrollados. Por ejemplo, un residente promedio de los EE.UU consume cerca de 100 kg de plástico por año, mientras que en Colombia las cifras están cerca de 19 a 20 kg por persona. Esta diferencia representa una gran oportunidad de crecimiento para los plásticos y los petroquímicos, así como para un rápido movimiento en los flujos de consumo. Se afirma que “la industria del plástico ha vivido, en promedio, un crecimiento de más del 7% durante los últimos 25 años. Se espera que el crecimiento continúe siendo fuerte en el futuro.” Para

octubre de 2007, el sector presentó un crecimiento de su producción real del 3,83% y las ventas presentaron una dinámica de crecimiento del 5,32%. 2, 3

En Colombia se consumen anualmente 80 mil toneladas de plástico común al año de las cuales solo el 10% es biodegradable, actualmente las empresas en producción de bioplásticos más reconocidas son Biopack que opera en Cali y Bogotá, y Bioplast en Medellín, estas empresas aunque usan tecnología TDPA (Aditivos Plásticos Totalmente Degradables, por sus siglas en inglés) 4 se las adhieren a derivados del petróleo como el polifen u otros productos químicos sintéticos que causan daño al medio ambiente sino están en las condiciones adecuadas para que ocurran todas las ventajas de degradación que ofrece el uso de esa tecnología.

Afortunadamente existe una opción diferente, el PBS poliéster alifático biodegradable con propiedades similares al PET que se obtiene a partir de la polimerización por condensación del ácido succínico 5, un ácido dicarboxílico cuyos usos adicionales son la producción de fertilizantes, en medicina y en la industria alimenticia. La ruta petroquímica para la obtención de ácido succínico es la hidrogenación catalítica del anhídrido maleico, y la posterior hidratación del anhídrido succínico (SAN) 6 . Sin embargo, este procedimiento además de contaminante es costoso ya que la dinámica del precio internacional del petróleo indica que su precio puede ser creciente a largo plazo, no obstante, recientes estudios a escala de laboratorio han demostrado que este ácido se puede obtener de manera biológica por fermentación a partir de carbohidratos.

Debido a eso el objetivo del presente trabajo es establecer el diseño conceptual de una planta de producción biológica de ácido succínico; produciremos 3000 Toneladas toneladas al año, ésta meta de producción se fija basándonos en el consumo nacional de bioplástico con miras a competir por ser proveedor de las empresas productoras de este ecológico material, el proceso se realizará a partir de Actinobacillus succinogenes un microorganismo productor de sal de succinato sobre un sustrato de bajo costo que contiene hidratos de carbono, además de otros nutrientes, iones de sodio y triptófano bajo una presión parcial de CO2 hasta que la mayoría de los hidratos de carbono se convierten a succinato 7 la fuente de carbono que usaremos será la sacarosa, sustrato abundante en el país; dicho proceso consiste globalmente en: fermentación anaerobia seguido de electrodiálisis y por íultimo intercambio de iones para purificar. El objetivo de la planta es reducir la dependencia de recursos fósiles para ofrecer un producto más económico y de buena calidad, ofrecer compuestos químicos menos tóxicos, y así mismo, impulsar a la industria plástica a apostarle a los nuevos procesos de producción basados en tecnología verde.

ESTADO DEL ARTE

El ácido succínico o butanodioico (C4H6O4) con peso molecular 118.09 g/mol físicamente es un polvo blanco con un pH entre 2,4 a 2,8 (solución acuosa al 1%) y se puede encontrar durante los procesos de fermentación del vino. Este compuesto se utiliza a nivel industrial en el tratamiento de agua, en la hidrogenación, como aditivo alimentario, como regulador de pPH, agente floculante, precipitante y neutralizador, en la esterificación y procesos de síntesis, en productos para soldadura y monoméricos.

Presenta un punto de ebullición a 235° C, punto de fundición/congelación de 185-187 °C, densidad relativa de 1,57 a 20 °C, solubilidad del agua a 83 g/l (a 25°C), presión del vapor 0.000025 Pa (25 °C). Es poco soluble en agua, reacciona con metales, agentes reductores y oxidantes fuertes. Presenta incompatibilidad con bases, agentes oxidantes y reductores. Su pureza está entre 98-100 %. 8

Entre sus múltiples usos se incluye su empleo en la fabricación de diversos bioplásticos, tales como poliésteres (por ejemplo, poli (succinato de butilenglicol) o PBS) o poliamidas, por co-polimerización con dioles o diaminas, respectivamente. Además, también reducirse catalíticamente a 1,4-butanodiol y utilizarse en la síntesis del poliéster poli (tereftalato de butilenglicol) (PBT), de un modo análogo al 1,3- propanodiol. 9

POSIBLES MICROORGANISMOS QUE SE PUEDEN USAR PARA LA PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SUCCÍNICO

La importancia de nuestro producto, aparte de que contribuye al desarrollo sostenible nacional desde su proceso de producción, está como se mencionó anteriormente en su variada aplicabilidad industrial: alimentaria, farmacéutica, agro y algunas industrias de productos renovables.

Para la producción de ácido succínico se han hecho varias investigaciones de algunos tipos de cepas que ayudan a mejorar el rendimiento del producto, entre esas están: Escherichia coli recombinante, la Basfia succiniciproducens, la Actinobacillus succinogenes, succiniciproducens Anaerobiospirillum, succiniciproducens Mannheimia y Corynebacterium glutamicum. 10

La Escherichia coli es una de las cepas más importantes puesto que contribuye en gran parte de los desarrollos biotecnológicos de los últimos años. Para la elaboración de ácido succínico, el método de fermentación no es tan eficiente utilizando como fuente de carbono la glucosa, se nota que la producción no es la

deseada. Por cada mol de glucosa fermentada, se producen sólo 1,2 moles de ácido fórmico, 0,1-0,2 moles de ácido láctico y 0,3-0,4 moles de ácido succínico. 11

Debido a esto los estudios experimentales revelan que se necesita grandes cantidades de sustrato para poder obtener una cantidad base de ácido succínico.

La E. coli puede usar diferentes sustratos, por ejemplo la sacarosa para producir ácido succínico 32,7 g / L con una productividad de 0,34 g / l / h. 11

Hay que tener en cuenta que esta cepa puede mutarse para mejorar sus condiciones y que esto tenga alguna relevancia en la producción de ácido succínico.

La Ssucciniciproducens aAnaerobiospirillum es una bacteria que produce de manera natural áacido succínico en cantidades moderadas, pero esta cepa no tolera altas concentraciones salinas y además se inhibe mediante concentraciones moderadas de producto 11.

La Basfia succiniciproducens produce áacido succínico, esta cepa realiza el metabolismo con una gran variedad de fuentes de carbono en acido, el desarrollo del proceso es muy similar que el de la E. coli con la ventaja que en la industria petroquímicas el medio ambiente sería muy bien recompensado siendo esto una alternativa para conservar nuestros ecosistemas. En España adelantan convenios entre algunas empresas como BAST y CSM, ellas esperan realizar una planta de producción de ácido succínico basado en la fermentación y aseguran que este proyecto tiene como único interés generar alternativas usando fuentes renovables. 12

La Actinobacillus succinogenes es una cepa que puede usar varias fuentes de carbono en condiciones anaerobias: xilosa, glucosa, fructosa, manitol, sorbitol, celobiosa y sacarosa, esta última que se extrae de la caña de azúcar y la melaza. La sacarosa es una fuente de carbono de amplio uso en la industria de bioprocesos, esto para resaltar q no solo la glucosa es una fuente de carbono para el desarrollo de biocombustibles. 13

La fermentación en feed-batch se llevó a cabo en las mismas condiciones como la fermentación por lotes con una concentración inicial de sacarosa de 50 g / L, el crecimiento celular puede no ser inhibido cuando la concentración de sacarosa fue inferior a 50 g / L, cuando la sacarosa en promedio fue menor a 20 g / L, una solución de 600 g / L de sacarosa fue necesaria para mantener la concentración de sacarosa entre 20-50 g / L. La sacarosa fue añadida mediante una bomba peristáltica a un caudal de 540 ml / h. Un total de 100 g / L de sacarosa se alimentó durante todo el proceso. Estos experimentos se llevaron a cabo por triplicado. 13

Las demás cepas proporcionan producen áacido succínico lo hacen en pequeñas cantidades.Luego de una detallada investigación sobre los diferentes tipos de microorganismos que se pueden usar para obtener áacido succínico, hemos llegado a la conclusión de que la cepa elegida es la Actinobacillus succinogenes; entre sus principales propiedades estáa que cuenta puede utilizar con una variedad de fuentes de carbono que no disminuyen su rendimiento sino que lo mantienen, esto es un gran beneficio ya que no se limita con un sustrato en específico. La sacarosa sería una fuente de carbono ideal ya que gracias al clima privilegiado de nuestro país, y al contrario de lo que sucede en el resto del mundo (con excepción de Hawái y el norte de Perú), la caña de azúcar se puede sembrar y cosechar durante todos los meses del año, contamos con 223.905 hectáreas sembradas en caña para azúcar de las cuales, el 24% corresponde a tierras propias de los ingenios y el restante 76% a más de 2.000 cultivadores de caña 14

lo que nos facilitaría usar esta materia prima de forma directa.

Las condiciones de crecimiento utilizando sacarosa, son muy efectivas. Tanto la producción como el rendimiento fueron más altos que los experimentos hechos por otro tipo de cepa. La densidad óptica de células máxima fue de 11,6 a 10 h, y luego disminuyó hasta el final de la fermentación. 15

ELECCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS

Para elegir el sustrato adecuado, es decir, el de mayor rendimiento y mayor oferta nacional, en el proceso de bio-producción del ácido succínico se consultó a fondo en informes de experimentos realizados a escala de laboratorio donde usan Actinobacillus succinogenes como biomasa. Las fuentes de carbono analizadas fueron la xilosa, glucosa, sacarosa, manitol, celobiosa y la fructuosa 16; sin embargo las más abundantes son la glucosa y sacarosa. Durante el proceso de fermentación utilizando glucosa, la concentración del ácido succínico logro un 57.1 g/L con un rendimiento del 71.5%, en cambio, cuando se utilizó la sacarosa, se obtuvo una concentración del ácido succínico de 60.5 g/L con un rendimiento del 82.9% 17 . Por lo tanto, basándonos en los resultados de esos experimentos optamos por la utilización de sacarosa como materia prima para la bio-producción del ácido succínico.

SACAROSA

La sacarosa es un disacárido muy abundante en la tierra y se extrae principalmente de la caña de azúcar y la remolacha azucarera. Tiene una utilidad muy importante en la industria como endulzante para alimentos y como fuente de carbono en la producción de etanol por la levadura S. cerevisiae 18, en la producción de ácido cítrico por la Aspergillus niger 19 y para la producción de ácido succínico por la Actinobacillus succinogenes 20. Se ha observado que la

sacarosa tiene efectos beneficiosos en la protección de las células en la degradación por calor, a altas presione y en la deshidratación 21.

Este disacárido está conformado por dos monosacáridos, glucosa y fructuosa. Estos dos están unidos por un enlace glucosídico entre el átomo de carbono 1 de la glucosa y el átomo de carbono 2 de la fructuosa 22

Propiedades fisicoquímicas 23

Densidad 1.59 g/cm3

Fórmula molecular C12H22O11

Punto de fusión 455 K

Solubilidad Soluble en agua

Peso molecular 342,3 g/mol

Estado de agregación Sólido

Apariencia Cristales blancos

La sacarosa es fina, incolora, inodora y tiene un sabor dulce.

DIÓXIDO DE CARBONO

El dióxido de carbono es un gas incoloro de olor fuerte y sabor ácido. Es un componente de la atmósfera en pequeña proporciones (aproximadamente 4 partes por 10.000). Se obtiene de la combustión de hidrocarburos, de la fermentación y de la respiración animal. Las plantas lo utilizan para la fotosíntesis de los carbohidratos. La presencia de dióxido de carbono en la atmósfera impide que una parte de la energía radiante que recibe la Tierra vuelva al espacio, produciendo el llamado efecto invernadero.

El dióxido de carbono se utiliza como refrigerante, en extintores de incendio, inflado de botes y chalecos salvavidas, fabricación de goma espuma y plásticos, elaboración de bebidas gaseosas y fertilizantes para plantas de invernadero y también para insensibilizar al ganado antes de la matanza. 24

Como parte del ciclo del carbono, plantas, algas y cianobacterias usan la energía lumínica del Sol para fotosintetizar carbohidratos a partir del dióxido de carbono y el agua, expulsando oxígeno como desecho de la reacción. Sin embargo, las plantas no pueden hacer la fotosíntesis por la noche o en oscuridad, desprendiendo una cantidad menor de dióxido de carbono debido a la respiración celular.  

El dióxido de carbono es una materia prima fundamental ya que se utiliza para eliminar el oxígeno antes de la inoculación debido a que el Actinobacillus succinogenes es una bacteria anaerobia. 25

Propiedades fisicoquímicas 26

Densidad 1.843 g/cm3

Fórmula molecular CO2

Punto de fusión 194,7 K

Punto de ebullición 216 K

Solubilidad Soluble en agua

Peso molecular 44 g/mol

Estado de agregación Gas

Gravedad específica 1,53 a 21 °C

Gas incoloro

CARBONATO DE MAGNESIO

El carbonato de magnesio es un sólido blanco que existe en la naturaleza como mineral. El MgCO3 es utilizado en compuestos a prueba de fuego y extintores, cosméticos y dentífricos. Otras aplicaciones son de material de relleno, supresor de humo en plásticos, agente reforzante en goma de neopreno, como agente de secado, laxante y para retener el color en las comidas. Adicionalmente, el carbonato de magnesio de alta pureza es utilizado como antiácido y como aditivo para la sal de mesa, para que escurra mejor. 27

Es una materia prima importante en el bio-proceso de producción del ácido succínico debido a que controla el pH del medio. Es un excelente neutralizador de un medio acido. 28

Propiedades fisicoquímicas. 29

Densidad 2,958 g/cm3

Fórmula molecular MgCO3

Punto de fusión 623 K

Solubilidad Soluble en agua

Peso molecular 83,314 g/mol

Estado de agregación Sólido

Gravedad específica 1,53 a 21 °C

Es un sólido blanco

EXTRACTO DE LEVADURA

El Extracto de levadura es un extracto soluble que se obtiene por extracción acuosa de células de levadura autolizadas. Es un producto rico en vitaminas especialmente del complejo B, aminoácidos y otros factores de crecimiento. Es utilizado en la preparación de medios de cultivo como excelente fuente de nutrientes. 30

El extracto de levadura contiene una cantidad de forma natural del ácido glutámico o glutamato monosódico; esto se produce a partir de un ciclo de fermentación ácido-base, y sólo se encuentra en algunas levaduras. Además es una materia

prima importante para el medio de cultivo de la Actinobacillus succinogenes para la producción de ácido succínico. 31

SUBPRODUCTOS DEL PROCESO

Los principales subproductos de este proceso son:

ETANOL: El etanol o alcohol etílico (C2H6O) se presenta a condiciones normales de presión y temperatura como un líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78,4°C. Éste tiene muchos usos en la industria, pero los principales usos y los más conocidos actualmente son los del etanol como combustible de los vehículos automotores y como ingrediente para las bebidas alcohólicas. Además se usa también en el sector farmacéutico como excipiente de algunos medicamentos y cosméticos (es el caso del alcohol antiséptico 70º GL y en la elaboración de ambientadores y perfumes). 32

La producción de alcohol carburante (etanol anhídrido) en Colombia fue de aproximadamente 362 millones de litros en el año 2012. Esto significa un aumento del 7,4% con respecto a la producción registrada para el año 2011 en el cual se produjeron 337 millones de litros. Comparado al año 2010, el aumento de producción llega a ser del 24,3% de los 291 millones de litros reportados.

Total Ventas 2011: 351,08 Millones de Litros

Total Ventas 2012: 368,44 Millones de Litros 33

ÁACIDO FÓRMICO: El ácido metanoico, también llamado ácido fórmico (CH2O2), es un ácido orgánico de un solo átomo de carbono, esta como líquido, incoloro, de olor irritante, con punto de ebullición de 100,7 °C y de congelación de 8,4 °C y es completamente soluble en agua.

El ácido fórmico se utiliza en la industria textil como secante para teñido, acabado de textiles y como agente reductor. También en el tratamiento del cuero, manufactura de fumigantes, insecticidas, refrigerantes, disolvente para perfumes, lacas, galvanizado, medicina, cervecería (antiséptico), plateado de vidrios, formiato de celulosa, coagulante del látex natural, flotación de minerales, plastificante de resinas vinílicas, aditivo para pienso de animales (alimento para los animales), es el principal uso que se le puede dar a este acido ya que permite que el alimento que va destinado para el ganado se conserve en el invierno y retenga sus nutrientes con el tiempo, además que se utiliza en la industria avícola adicionada al alimento para matar la salmonera. En la industria de los saborizantes y perfumes se adiciona en la formulación ya que se forman algunos ésteres que dan una nota característica. 34

ÁACIDO ACÉTICO: El ácido acético, ácido metilencarboxílico o ácido etanoico (C2H4O2). Es un líquido y se puede encontrar en forma de ion acetato. Éste es un ácido que se encuentra en el vinagre, siendo el principal responsable de su sabor y olor agrios.

Los usos del ácido acético son muchos y muy variados. Se produce alrededor de 6,5 millones de toneladas de ácido acético en el mundo cada año y es uno de los

reactivos químicos más importantes. Se utiliza en muchos procesos industriales, tales como en la fabricación de acetato de celulosa que se utiliza en la industria del cine y acetato de polivinilo que se utiliza para hacer pegamentos para madera.

Los usos más comunes de ácido acético son:

Disolvente para muchos procesos industriales En la fabricación de las fragancias y perfumes

En la fabricación de fibras sintéticas y textiles

En la fabricación de tintas y colorantes

En los análisis de laboratorio clínico en el que se utiliza para probar la sangre.

En la fabricación de botellas de bebidas alcohólicas

Tratamiento para las infecciones de oído externo donde se ayuda a prevenir el crecimiento de hongos y bacterias

En la fabricación de cauchos y plásticos

En la fabricación de pesticidas

El ácido acético es aprobado como un aditivo alimentario 35

36

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO

BIBLIOGRAFIA

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