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(EVALUACIÓN DEL EFECTO CRABTREE)

Una de las potenciales modificaciones a los procesos fermentativos lo constituyen procesos en los cuales se cuente con concentraciones de azúcares fermentables elevadas. Existe una clasificación para las fermentaciones de acuerdo con la concentración de azúcares, dentro de las cuales se incluyen aquellas condiciones cercanas a la concentración inhibitoria del crecimiento y producción de etanol por parte de levaduras, debido a la elevada presión osmótica del medio [69].

Fermentaciones con concentraciones de azúcares totales superiores a 180 g/L (high gravity) y aún más, superiores de 250 g/L (very high gravity) son procesos de interés para aminorar costos de operación principalmente en las etapas de separación posteriores a la fermentación [22]. Para desarrollar con éxito este tipo de fermentaciones pueden implementarse procesos bajo condiciones aeróbicas o condiciones anaeróbicas. Para la primera condición se requiere de la implementación de un sistema de oxigenación eficiente para estimular y favorecer el metabolismo fermentativo de la levadura (efecto Crabtree), el cual puede generar un aumento significativo en los costos de operación, mientras que para la condición anaeróbica es necesario contar con un microorganismo osmotolerante (o condiciones del medio que minimicen el efecto de la presión osmótica, tales como la adición de osmoprotectores, la adición de nitrógeno asimilable, entre otros), que asimile con rapidez los sustratos fermentables y genere etanol con rendimientos importantes [69].

Se realizaron dos fermentaciones a nivel piloto, empleando 80 L de melaza diluida en cada una y concentraciones de azúcares reductores de 264 g/Ly de 130 g/Lrespectivamente. Un inóculo adaptado a las condiciones de fermentación de 7 L fue empleado en cada proceso con el fin de suministrar la biomasa necesaria para iniciar cada proceso fermentativo en condiciones adecuadas. La cepa LO1 fue empleada en estas fermentaciones, en las cuales se

ajusto el pH inicial a 4 aproximadamente y la temperatura fue mantenida entre 28°C y 35 °C. Las condiciones iniciales de estas fermentaciones se presentan en la Tabla 31.

Los resultados de estas fermentaciones, denominadas Crabtree 1 y Crabtree 2 se presentan en la Tabla 32 y en las Figuras 29 y 30.

Tabla 31: Condiciones iniciales de fermentación Crabtree Variable Crabtree 1 Crabtree 2

V inóculo (L) 7 7 V mosto (L) 79.5 80 Agitación (RPM) 300 340 pH inicial 4.1 4.3 AR iniciales (g/L) 264 130 T inicial (°C) 31.2 32.5

Tabla 32: Resultado de fermentaciones Crabtree Variable Crabtree 1 Crabtree 2

ARo (g/L) 264.4 130.4 ARmáx (g/L) 312.5 169.9 ARf (g/L) 86.4 25.2 Celo (cel/ml) - 53.3 Celmáx (cel/ml) - 4.9x107 Celf (cel/ml) - 6.8x107 Etanolf (g/L) 56.4 53.3 Yps 0.178 0.2629 Eficiencia (%) 34.9 51.5

Figura 29: Evolución de la fermentación Crabtree 1

0 10 20 30 40 50 60 70 0 50 100 150 200 250 300 350 0 10 20 30 40 50 Eta n o l (g /L ) A R (g /L ) t (h) AR Etanol

Figura 30: Evolución de la fermentación Crabtree 2

La evolución de estas fermentaciones y los rendimientos obtenidos permiten concluir lo siguiente:

 Aunque la concentración celular es muy elevada y permanece constante, no se traduce en una mayor velocidad de producción de etanol ni de consumo de sustrato. Esto se comprueba en las dos fermentaciones presentadas, en las cuales el 50% de la producción total de etanol es alcanzada pasadas 25 horas aproximadamente, tiempo al cual la mayoría de fermentaciones convencionales han alcanzado su producción máxima.

 Los rendimientos obtenidos y la elevada densidad celular (la concentración de biomasa inoculada permanece prácticamente invariable a lo largo de la fermentación) indica que el sustrato inhibe el crecimiento de la levadura hasta niveles superiores que se traducirían en mayores tasas de etanol. Además de esto, debe ser analizado el efecto de la cantidad de oxigeno adicionada, siendo este un factor predominante para la estimulación de la asimilación de sustrato y su conversión hacia etanol.

 Cada una de las fermentaciones exhibieron un aumento en la concentración de azúcares reductores durante las primeras horas del proceso. Este comportamiento es común en la utilización de melazas, debido a que la levadura se encarga de hidrolizar la sacarosa remanente que se alimenta al proceso y con esto eleva la cantidad de glucosa y fructosa en el medio de fermentación. Esta etapa de hidrólisis, coincide con la etapa de latencia del microorganismo durante la fermentación Crabtree 2, indicando esto que la inhibición por sustrato y la presión osmótica son más influyentes durante la primera etapa del proceso, en la cual se presenta un aumento considerable en la cantidad de azúcares directamente asimilables. Este aumento permite inferir que la velocidad de hidrólisis (proceso exo citoplasmático) es superior a la velocidad de ingreso de nutrientes al citoplasma, comprobando la afectación del transporte activo a través de la membrana a causa de la presión osmótica generada por el medio.

 Los perfiles de producción y consumo de sustrato son similares en ambas fermentaciones. Esto indica que las concentraciones de azúcar alcanzadas están aun distantes de los niveles de inhibición completa del crecimiento y de la actividad productiva del microorganismo.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0E+0 1E+7 2E+7 3E+7 4E+7 5E+7 6E+7 7E+7 8E+7 0 10 20 30 40 50 AR - E ta n o l (g /L ) C e l/ m l t (h) Biomasa AR Etanol

4.7.

CONCLUSIÓN

Se presentó en este capítulo el comportamiento fermentativo de dos cepas de levadura (una comercial y la segunda aislada de procesos de fermentación a escala piloto) durante la conversión de melaza a diferentes niveles y condiciones de operación. La cepa LO1 presentó

buena adaptación y productividad en procesos fermentativos realizados a una temperatura de 38°C. Procesos realizados a altas temperaturas de fermentación son de interés debido a la reducción en costos de enfriamiento, costos de materias primas, costos del sistema de separación, etc., como se demostró mediante la simulación y análisis económico del proceso. Los resultados obtenidos en cada nivel son coincidentes tanto desde el punto de vista de productividad de etanol alcanzada como de viabilidad celular y consumo de sustrato.

Los bajos rendimientos obtenidos en fermentaciones aeróbicas (efecto Crabtree) están por debajo de los niveles experimentales de eficiencia reportados en la literatura para procesos anaeróbicos, pero permiten realizar un análisis amplio de los factores que generan mayores efectos sobre el metabolismo fermentativo del microorganismo. Además de esto se demostró la limitación de implementar estos microorganismos (no adaptados o modificados) en procesos no convencionales como en fermentaciones con alta concentración inicial de sustrato y bajo aerobiosis, buscando con esto favorecer el efecto Crabtree.