Efecto de diferentes pretratamientos sobre la sacarificación de bagazo de caña para la producción de bioetanol.

Abstract

La caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) es uno de los principales cultivos en México, no obstante, cada año se producen cerca de 15 millones de toneladas de bagazo, de las cuales su mayoría son destinadas a la producción de energía eléctrica mediante combustión, convirtiendo cerca del 25% de su peso en gases de efecto invernadero (GEI). Por esta razón, es necesario diversificar los usos del bagazo para la obtención de productos con valor agregado, alineados a los ejes del desarrollo sustentable (ambiental, social y económico). Una propuesta interesante es la producción de bioetanol de segunda generación, en la que se puede reducir el uso de combustibles fósiles, valorizar el bagazo y fomentar la economía circular. Sin embargo, es necesario desarrollar procesos de pretratamiento y sacarificación eficientes, para alcanzar la viabilidad económica del bioetanol de segunda generación. Por lo cual, el objetivo del presente trabajo fue evaluar el efecto de dos pretratamientos (peróxido de hidrógeno y microondas), sobre la sacarificación de bagazo de caña con extractos enzimáticos producidos por fermentación en estado sólido (FES), para la producción de bioetanol. La producción de extractos enzimáticos con actividad celulasa y xilanasa fue realizada por fermentación en estado sólido utilizando bagazo de caña como soporte-sustrato y cepas fúngicas autóctonas como inóculo. Para la sacarificación enzimática el bagazo de caña fue sometido a pretratamiento con peróxido de hidrógeno a distintas condiciones de tiempo (0, 1, 3 y 6 h), relación peróxido de hidrógeno:bagazo (100, 33.33 y 16.66 mL/g), temperatura (26, 50 y 70 °C) concentración de peróxido de hidrógeno (1, 3 y 5% v/v) y pretratamiento con microondas a distintas condiciones de potencia (p30, p50 y p80) y tiempo (5 y 10 min), evaluando la liberación de azúcares totales de bagazo de caña. Para la etapa de sacarificación enzimática fueron utilizados extractos enzimáticos con actividad celulasa y xilanasa; producidos por fermentación en estado sólido utilizando bagazo de caña como soporte-sustrato y bagazo pretratado con microondas y peróxido de hidrógeno. Por último, los azúcares fermentables obtenidos de la sacarificación enzimática de bagazo de caña, fueron empleados como única fuente de carbono en un sistema de fermentación alcohólica. Los resultados de la fermentación en estado sólido mostraron que los extractos enzimáticos presentaron actividad celulasa (2 U/g) y xilanasa (61 U/g). Por otro lado, los resultados del pretratamiento de bagazo de caña con peróxido de hidrógeno indicaron que la liberación de azúcares totales máxima en las condiciones de ensayo (6 h, 26°C, 16.66 mL/g y 5% v/v) fue de 0.261 g/g. Por otro lado, los resultados del pretratamiento de bagazo de caña con microondas indicaron que la liberación de azúcares totales máxima en las condiciones de ensayo (p80 y 5 min) fue de 0.027 g/g. Los resultados de la sacarificación enzimática de bagazo de caña indicaron que el rendimiento de azúcares reductores máximo se obtuvo cuando el bagazo de caña fue pretratado con peróxido de hidrógeno alcalino obteniendo 0.41 g/g. Por último, la concentración máxima de etanol (4.52 g/L) fue obtenida tras 48 horas de fermentación con Saccharomyces cerevisae. _______________ EFFECT OF DIFFERENT PRETREATMENTS ON THE SACCHARIFICATION OF SUGARCANE BAGASSE FOR BIOETHANOL PRODUCTION. ABSTRACT : Sugarcane (Saccharum officinarum L.) is one of the main crops in Mexico, however, each year about 15 million tons of bagasse are produced, most of which are destined to the production of electricity through combustion, converting about 25% of its weight in greenhouse gases (GHG). For this reason, it is necessary to diversify the uses of bagasse to obtain value-added products, aligned with the axes of sustainable development (environmental, social and economic). An interesting proposal is the production of second-generation bioethanol, in which the use of fossil fuels can be reduced, bagasse can be valorized and the circular economy can be promoted. However, it is necessary to develop efficient pretreatment and saccharification processes to achieve the economic viability of second generation bioethanol. Therefore, the objective of the present work was to evaluate the effect of two pretreatments (hydrogen peroxide and microwaves) on the saccharification of sugarcane bagasse with enzymatic extracts produced by solid state fermentation (SSF) for bioethanol production. The production of enzymatic extracts with cellulase and xylanase activity was carried out by solid state fermentation using sugarcane bagasse as support-substrate and autochthonous fungal strains as inoculum. For enzymatic saccharification the sugarcane bagasse was subjected to hydrogen peroxide pretreatment at different conditions of time (0, 1, 3 and 6 h), hydrogen peroxide:bagasse ratio (100, 33.33 and 16. 66 mL/g), temperature (26, 50 and 70 °C) hydrogen peroxide concentration (1, 3 and 5% v/v) and microwave pretreatment at different power conditions (p30, p50 and p80) and time (5 and 10 min), evaluating the release of total sugars from sugarcane bagasse. For the enzymatic saccharification stage, enzymatic extracts with cellulase and xylanase activity were used; produced by solid state fermentation using sugarcane bagasse as support-substrate and bagasse pretreated with microwaves and hydrogen peroxide. Finally, fermentable sugars obtained from the enzymatic saccharification of sugarcane bagasse were used as the sole carbon source in an alcoholic fermentation system. The solid state fermentation results showed that the enzymatic extracts presented cellulase (2 U/g) and xylanase (61 U/g) activity. On the other hand, the results of pretreatment of sugarcane bagasse with hydrogen peroxide indicated that the maximum total sugars release under test conditions (6 h, 26 °C, 16.66 mL/g and 5% v/v) was 0.261 g/g. On the other hand, the results of the microwave pretreatment of sugarcane bagasse indicated that the maximum total sugars release under the test conditions (p80 and 5 min) was 0.027 g/g. The results of enzymatic saccharification of sugarcane bagasse indicated that the maximum reducing sugars yield was obtained when the sugarcane bagasse was pretreated with alkaline hydrogen peroxide obtaining 0.41 g/g. Finally, the maximum ethanol concentration (4.52 g/L) was obtained after 48 hours of fermentation with Saccharomyces cerevisae.