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Generación de biocombustibles
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[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
Biocombustibles: biomasa
lignocelulósica y procesos de producción
1246
Claudia Castro Martínez1 María Elena Valverde2
Octavio Paredes López3
Introducción
El mundo actual hace frente a una
disminución progresiva de sus fuentes
energéticas debido principalmente a que son
1 Doctor en Ciencias en Ingeniería de Procesos y Medio Ambiente del Instituto Nacional Politécnico de Toulouse, Francia. Estancia Posdoctoral en el Posgrado en Biotecnología, UAS y en el Departamento de Biotecnología y Bioquímica del CINVESTAV, Unidad Irapuato. Candidato del SNI. E-mail: [email protected] 2 Doctora en Biotecnología Vegetal del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Unidad Irapuato. Auxiliar de Investigación, Departamento de Biotecnología y Bioquímica. CINVESTAV, Unidad Irapuato. Nivel I del SNI. E-mail: [email protected] 3 Doctor en Ciencias de plantas de la Universidad de Manitoba, Canadá. Investigador Titular F del Departamento de Biotecnología y Bioquímica del CINVESTAV, Unidad Irapuato. Investigador Emérito del SNI. E-mail: [email protected]
no renovables (petróleo); sin embargo, el
consumo de energía aumenta a pasos
exorbitantes. Por esto el panorama global en
el mercado bioenergético es obscuro. Por otro
lado, el enorme uso de combustibles fósiles
conduce a un impresionante aumento en la
generación de gases contaminantes liberados
a la atmósfera, lo cual causa graves cambios
en el clima global (Sánchez y Cardona,
2008).
Depender del petróleo como materia
prima energética tiene desventajas,
principalmente porque no es renovable, por lo
que en el futuro su disponibilidad será
limitada. Por tal motivo, ha surgido el interés
en la búsqueda de alternativas tecnológicas
para producir biocombustibles útiles
mediante procesos no contaminantes y que no
dependan del petróleo.
La solución a esta problemática
depende del desarrollo e implementación de
tecnologías que permitan utilizar fuentes
alternativas de energía renovable. En la
actualidad ninguno de los estudios o
evaluaciones representan una solución clara
de las demandas de energía. Por lo que es de
suma importancia buscar alternativas a través
de un conjunto de tecnologías.
Una solución apropiada y renovable es
el uso de la energía solar en forma de
biomasa (bioenergía) y puede ser
potencialmente representado como cosechas
energéticas y residuos lignocelulósicos.
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
A nivel mundial los países pioneros en
la producción de biocombustibles son
Estados Unidos y Brasil. Estos países están
generando millones de litros de bioetanol a
partir de maíz y caña de azúcar, cultivos
destinados para la alimentación humana, lo
que ha generado gran controversia social,
económica y política; así como disminución
en los recursos alimenticios para la sociedad
y por consecuencia aumento en los precios de
los alimentos.
1247
Los biocombustibles de segunda
generación son los que se pueden obtener a
partir de fuentes no comestibles, como por
ejemplo desechos agrícolas o plantas con
pocos requerimientos de cultivo que se
puedan sembrar en tierras poco fértiles y que
necesiten poca energía para la conversión.
Estas plantas presentan gran potencial,
especialmente porque tienen mayores
beneficios ambientales que los obtenidos del
petróleo o de los biocombustibles de primera
generación obtenidos de alimentos (Tiffany y
Edman, 2005).
Para que un biocombustibles sea una
alternativa viable debe dar ganancia
energética positiva y beneficios ambientales;
además, debe ser económicamente
competitivo y se debe producir en grandes
cantidades, por supuesto sin reducir el
suministro de alimentos (Hill y col., 2006).
La presente revisión muestra las
diferentes materias primas celulósicas con
alto potencial para la producción de
biocombustibles. Se incluyen los
pretratamientos necesarios para la
degradación de la biomasa lignocelulósica,
así como los microorganismos y enzimas
involucradas en dichos procesos. Además,
nos enfocamos en los procesos existentes
para la producción de biocombustibles,
microorganismos involucrados y
modificaciones genéticas llevadas a cabo para
el mejoramiento de los diferentes procesos de
producción sustentable de combustibles.
1. Materia prima utilizada
Desde hace ya varios años se han evaluado
diferentes materias primas (caña de azúcar,
maíz, biomasa lignocelulósica, cultivos
energéticos, entre otros) para la producción
de biocombustibles tales como: bioetanol,
biodiesel y biogás. Enseguida citaremos los
sustratos actualmente utilizados a nivel
industrial, así como aquellos que son
potencialmente prometedores para la
producción de diversos biocombustibles.
Además presentaremos un cuadro
comparativo de las diferentes materias primas
mencionadas (Cuadro 1). Como podemos
observar, muchos factores son determinantes
en la elección de un cultivo energético. El uso
de biomasa lignocelulósica representa la
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
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mejor opción porque el balance energético es
superior al obtenido usando cultivos
utilizados para la alimentación humana; sin
embargo, es necesario realizar muchos
avances científicos y tecnológicos para poder
utilizarla (10-70 NER para Miscanthus versus
3.0-4.0 NER para caña de azúcar). Por otro
lado, las cosechas de materiales energéticos
lignocelulósicos que no sirvan para la
alimentación humana podrían ayudar a
disminuir la erosión del suelo, así como
proteger la diversidad natural.
Cuadro 1. Comparación de diferentes procesos y cultivos energéticos (Yuan y col., 2008)
Producto-Sustrato Materia prima NEB
GJ/ha/año NER Balance CO2 Cosecha anual Establecido Beneficio
ecológico
Etanol a partir de almidón y
glucosa
Maíz 10-80 1.5-3.0 Positivo Sí ++ + +
Azúcar de caña 55-80 3.0-4.0 Positivo No ++ + +
Remolacha azucarera 40-100 2.5-3.5 Positivo Sí ++ + +
Sorgo Dulce 85-300 5-10 Positivo Sí ++ + ++
Etanol a partir de desechos
lignocelulósicos
Pasto elefante (Miscanthus) 250-550 15-70 Posible
negativo Sí/No + +++
Pasto perenne C4 (Swithchgrass)
150-500 10-50 Posible negativo No + +++
Arboles dioicos (Poplar) 150-250 10-20 Posible
negativo No + +++
Biodiesel
Soya -20-10 0.2-0.6 Positivo Sí ++ +
Canola -5-2 0.7-1.0 Positivo Sí ++ + +
Girasol -10-0 0.3-0.9 Positivo Sí ++ + +
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1.1. Caña de azúcar y maíz
El etanol obtenido de caña de azúcar y
almidón de maíz es el biocombustible que
más se ha promocionado en los últimos años.
La producción a nivel mundial en el 2007 fue
de 49 mil millones de litros. Estados Unidos
produce a partir de maíz cerca de 18 mil
millones de litros por año de etanol; mientras
que Brasil produce 14 mil millones de litros
por año a partir de caña de azúcar. Estos dos
países son considerados como los mayores
productores de biocombustibles, aportando
cerca del 93% de la producción mundial.
Históricamente Brasil ha sido el país líder en
producción de combustible líquido renovable
y desde 1990 se implementó el uso de etanol
puro en el 90% de los carros nuevos y
mezclas de 20-22% con gasolina o diesel para
carros de modelo viejo. La aplicación de este
programa gubernamental en Brasil se ha
tomado como ejemplo a nivel mundial
(Tollefson, 2008; Pessoa y col., 2005).
1249
1.2. Cultivos energéticos
Diversos investigadores se han interesado en
identificar y caracterizar especies de plantas
con potencial energético. Para ello, es
necesario entender donde pueden crecer estas
especies y los efectos ecológicos sobre el
medio ambiente que podrían traer; así como,
su respuesta a las condiciones ambientales,
sensibilidad biótica y abiótica. Por otro lado,
hay que estudiar su diversidad genética,
sistemas de cruzas y características
agronómicas (Carol y Somerville, 2009).
Algunos de los cultivos energéticos
ampliamente cultivados son: Miscanthus
(pasto elefante), Jatropha (piñon) y Poplar
(pasto perenne C4). Estos cultivos representan
una importante fuente de producción de
biomasa lignocelulósica. Swithgrass
(Panicum virgatum) es el mayor cultivo
energético utilizado en USA, esto se debe a
su amplia capacidad para adaptarse a las
condiciones ambientales, alta producción de
biomasa, elevada eficiencia fotosintética y
eficiente uso de agua y nitrógeno. Presenta un
rendimiento de aproximadamente de 25
Mg/ha/año, dependiendo de la latitud y
nutrición, entre otros factores.
El Miscanthus híbrido (Miscanthus x
giganteus) es otro cultivo energético muy
empleado, principalmente en Europa. Este
cultivo presenta mayor tolerancia al frío, por
lo que puede ser empleado a mayores
latitudes. Se ha reportado un rendimiento de
38 Mg/ha/año y tiene mejor uso del nitrógeno
que el Swithgrass.
Los pastos leñosos son otro grupo de
cultivos energéticos e incluyen: poplar, sauce
y pino. El poplar híbrido se considera el
modelo de este grupo de cultivos por su
amplia capacidad de adaptación y su rápido
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crecimiento, porque se dispone de su
secuencia genómica, se conoce un sistema
transformación. El rendimiento de esta planta
es alrededor de 7 a 20 Mg/ha/año,
dependiendo de las condiciones ambientales
y nutritivas.
1.3. Desechos lignocelulósicos
El uso de la biomasa lignocelulósica para la
producción de biocombustibles será
fundamental en la preservación del ambiente,
en la generación de nuevas oportunidades de
trabajo, desarrollo sostenible; así como en
mejoras en la salud. La energía derivada de la
biomasa residual podría también ayudar en la
modernización de la economía agrícola. Sin
embargo, una de las dificultades de utilizar
estos residuos es que están formados
principalmente de complejos lignina-celulosa
que son sumamente difíciles de degradar y
sólo un grupo pequeño de organismos son
capaces de hacerlo.
Las etapas importantes en la
bioconversión de lignocelulosa a combustible
son: la reducción de tamaño de la biomasa, el
pretratamiento, la hidrólisis y la producción
del combustible (Houghton y col., 2006).
1.3.1. Composición de la lignina, hemicelulosa y celulosa
Aproximadamente el 70% de la biomasa
vegetal está compuesta por azúcares de 5 y 6
átomos de carbono. Estos azúcares se
encuentran en la biomasa lignocelulósica y
comprenden principalmente celulosa (un
homo polímero conteniendo largas cadenas
de glucosa); en menos proporción se
encuentra la hemicelulosa (un heteropolímero
de 5 y 6 átomos de carbono) y todavía en
menor grado se encuentra la lignina (un
polímero aromático complejo) (Figura 1)
(Rubin, 2008).
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
Figura 1. Estructura de biomasa lignocelulósica (Rubin, 2008)
A continuación se detalla la composición de los diferentes materiales de la biomasa
lignocelulósica (Figura 2).
1251
Composicióndebiomasa
lignocelulósica
Celulosa
Hemicelulosa
Celobiosa
Glucosa
Hexosas: glucosa, manosa, galactosa
Pentosas: xilosa y arabinosa
Acido urónico
Unidades de fenil propano: alcoholesp-cumaril , coniferil, sinapil
Furfural :5-hidroximetilfurfural
Lignina
Figura 2. Composición de la biomasa lignocelulósica
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
1.3.1.1. Lignina
La estructura de la lignina es de naturaleza
aromática y se origina por la polimerización
oxidativa de tres tipos principales de
alcoholes cinamílicos hidroxilados (p-
cumaril, coniferil, sinapil, Figura 1 y 2). La
estructura de estos derivados del alcohol
cinamílico se caracteriza porque tiene un
grupo hidroxilo libre en la posición 4 del
anillo aromático. La complejidad estructural
de la lignina hace que las enzimas que se
encargan de hidrolizarla presenten
mecanismos de acción no específicos que
oxidan los anillos aromáticos que constituyen
el polímero. Las enzimas que participan en
este proceso son: lignina peroxidasa,
peroxidasa dependiente de Mn y lacasa (una
fenoloxidasa que contiene principalmente
cobre) (Pérez y col., 2002). Existen otras
enzimas asociadas en la degradación de
lignina de una manera indirecta: glioxal
oxidasa y superóxido dismutasa que producen
H2O2 (Berrocal y col., 1997).
1252
1.3.3.2. Hemicelulosa
La hemicelulosa está constituida por
polisacáridos solubles en álcali asociados con
celulosa en la pared celular de la planta.
Presenta mucho menor grado de
polimerización (100 a 200 unidades) que la
celulosa (10,000-14,000 unidades) y los
principales componentes son: D-xilosa, D-
manosa, D-glucosa, D-galactosa, L-
arabinosa, D-ácido glucorónico, 4-O-metil-D-
ácido glucorónico, D- ácido galacturónico y
en menor medida, L-ramnosa, L-fucosa y
varios azúcares O-metilados (Howard y col.,
2003) (Figura 1 y 2). Las hemicelulasas son
las encargadas de hidrolizar los
heteropolisacáridos y constan de un complejo
proteínico parecido al celulosoma de algunas
bacterias celulolíticas. Los xilanos son los
principales componentes de la hemicelulosa,
por lo que las xilanasas son las enzimas más
importantes en la hidrólisis de este sustrato.
Otras enzimas importantes son manosidasas,
manasas, arabinanasas, entre otras.
1.3.3.3. Celulosa
La celulosa es el compuesto orgánico más
abundante en la tierra. Estructuralmente está
formada por moléculas de glucosa unidas por
enlaces β 1-4 con un alto grado de
polimerización (10,000 unidades) (Figura 1 y
2); con regiones altamente cristalinas y
regiones amorfas (no cristalinas). Tiene un
alto grado de tensión que la hace muy
resistente a hidrólisis enzimática,
especialmente en las regiones cristalinas
(Howard y col., 2003). Las celulasas son las
enzimas responsables de la hidrólisis de
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
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celulosa y se dividen en tres grandes grupos
según su actividad enzimática:
endoglucanasas o endo-1,4-β-glucanasa,
celobiohidrolasas y β-glucosidasas. Las
endoglucanasas, también llamadas
carboximetilcelulasas, inician el ataque al
azar en varios sitios internos de la región
amorfa de la fibra de celulosa, abriendo
nuevos sitios para el subsecuente ataque por
las celobiohidrolasas (exoglucanasa) que
hidrolizan con eficacia celulosa cristalina.
Generalmente, las endoglucanasas y las
celobiohidrolasas trabajan juntas en la
hidrólisis de celulosa (Rabinovich y col.,
2002).
La celulosa es el componente
mayoritario en los materiales de origen
vegetal, pero está ligada íntimamente con la
lignina y sólo una pequeña parte de ésta se
encuentra libre para ser atacada por el sistema
de enzimas celulolíticas; por lo que, la
degradación de los materiales vegetales está
inversamente relacionada con el contenido de
lignina. De aquí la necesidad de realizar un
proceso de deslignificación para poder
utilizar desechos agrícolas e industriales de
origen vegetal en la producción de
biocombustibles (Figura 3).
Figura 3. Tratamiento de biomasa lignocelulósica
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
2. Pretratamientos para degradar biomasa lignocelulósica
Existen varias posibilidades de lograr una
deslignificación química y/o física, y
recientemente se está utilizado ingeniería
genética como alternativa para alterar la ruta
de biosíntesis de la lignina en las plantas,
facilitando así su utilización (Hendriks y
Zeeman, 2009).
En los procesos convencionales
(Cuadro 2) la lignina se elimina por
pretratamientos químicos (Liu y Wyman
2003) y/o térmicos (Garrote y col., 1999),
seguido de hidrólisis ácida/enzimática (Zhang
y Lynd, 2004). Sin embargo, se ha propuesto
reemplazar los tratamientos fisicoquímicos
por tratamientos biológicos (mediante hongos
o bacterias lignocelulolíticas) para la
degradación de desechos lignocelulosos.
Dentro de las ventajas de los tratamientos
biológicos está el hecho de que se utilizan
condiciones de reacción no agresivas, menor
demanda de energía y menor espacio de
reacción; sin embargo, los rendimientos son
bajos.
Cuadro 2. Diferentes pre-tratamientos de la biomasa lignocelulósica
Método Procedimiento Remarcas Ejemplo
Físico/térmico Mecánico Molienda Bagazo de caña, desechos forestales
Pirólisis T > 300ºC, enfriamiento y condensación Desecho de maíz, desecho de algodón
Químico/térmico Acido diluido H2SO4: 0.75-5%, HCl, HNO3
Bagazo, desecho de maíz, cáscara de arroz, trigo
Acido concentrado H2SO4: 10-30% Arbolillo dioico (poplar), bagazo Álcali NaOH diluido, Ca(OH)2,H2O2 Madera, bagazo, desecho de maíz
Físico-Químico/térmico
AFEX Amonio 1-2/kg de masa seca; 90ºC (30 min); p= 1.20 MPa
Bagazo, desecho de maíz, cáscara arroz
Explosión con CO2 4 kg CO2/kg fibra, p=5.6 MPa Bagazo, alfalfa, desecho de papel
La finalidad del pretratamiento de la
biomasa lignocelulósica es que la celulosa sea
accesible a la acción de enzimas hidrolíticas
alterando la pared celular lignocelulósica
(Hendricks y Zeeman, 2009).
Los efectos del pretratamiento
incluyen:
a) Un incremento en la accesibilidad del
área de superficie de la biomasa
lignocelulósica.
b) Decristalización de la celulosa.
c) Depolimerización parcial de la
celulosa.
d) Solubilización de la lignina y/o
hemicelulosa.
1254
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
e) Y modificación de la estructura de la
lignina.
Por otro lado, se conoce que los
materiales lignocelulósicos son recalcitrantes
a descomposición por pretratamiento. Esto
genera compuestos que son inhibitorios a los
organismos involucrados en la fermentación.
Los inhibidores típicos son los furaldehídos
2-furaldehído (furfural) y 5-hidroximetil-2-
furaldehído (HMF), ácidos débiles tales como
el ácido acético, ácido fórmico y el ácido
levulinico. Además, los compuestos fenólicos
tales como la vanilina, siringaldehído y
coniferil aldehído, también presentan ciertos
problemas durante el proceso de
fermentación (Modig y col., 2008).
1255
3. Microorganismos y enzimas involucradas en la degradación de biomasa lignocelulósica
Los hongos y las bacterias han sido
ampliamente explotados por sus capacidades
para producir enzimas que participan en la
degradación de biomasa lignocelulósica
(celulasas y hemicelulasas).
Algunos hongos con mucha actividad
celulolítica pertenecen a los géneros
Aspergillus, Hisopas, Penecillos. En bacterias
los géneros Bacillos, Clostridium y
Streptomyces también presentan gran
capacidad para degradar celulosa (Cuadro 3)
(Ravinovich y col., 2002). Para hemicelulosa
los hongos degradadores del género
Aspergillus son los más abundantes. Dentro
de las bacterias con mayor actividad
hemicelulolítica están Clostridium, Bacillus y
thermoanaerobacter (Cuadro 4) (Ravinovich
y col., 2002).
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
Cuadro 3. Lista de hongos y bacterias con mayor actividad específica (μmol/min.mg) para celulosa. (modificado de Howard y col., 2003)
Enzima Organismo Substrato Actividad específica
Temperatura (ºC) pH
1, 3-β-glucano gluchohidrolasa
Achlya busexualis /laminarin /glucano
neutral
Fosfoglucano 7840 30 6
1, 3-1, 4-β-D- glucano
glucohidrolasa
Orpinomyces sp. Β-D-glucano /lichenin 3659 45 5.8
1-3-β-D- glucano glucohidrolasa
Rhizpous chinesis D-β glucano 4800 NA NA
Manasa endo- 1, 4-β monosidasa
Bacillus subtillis Galactoglucomanasa/ glucomanasa/
manasa 514 50-60 5-7
Celulasa Clostridium thermocellum
Avicel/ carboxilmetil celulosa/celulosa
celopentosa/celotriosa 428 75 7
1, 3-1, 4-β-D- glucano
glucohidrolasa
Bacilllus macerans Dβ-D glucano/ lichenan 5030 60-65 6
Cuadro 4. Lista de hongos y bacterias con mayor actividad específica (μmol/min.mg) para hemicelulosa. (modificado de Howard y col., 2003)
Enzima Organismo Substrato Actividad específica
Temperatura (ºC) pH
Endo-1,4-β-xilinasa
Trichoderma alogibrachiatum
1, 4-β-D-xilan 6630 45 5
α-galactosidasa
Montierella vinacea Melobiosa 2000 60 4
Endo-galactanasa Aspergillus niger NA 6593 50-55 3.5 Endo-1, 4-β-
xilinasa Bacillus pumilis Β-1, 4-D-xilan 1780 40 6.5
β-1, 4-xillosidasa Thermoanaerobactet hanolicus
o-nitro fenil-β-D- xilopiranoside 1073 93 6
α-galactosidasa Escherichia coli Rafinosa 27350 60 6.8 β-glucosidasa Bacillus polymya 4-nitro fenil-β-D-
glucopiranoside 2417 NA NA
Actil-xilan esterasa
Fibrobacter Acetilxilan/ dα-naftil 2933 47 7
Trichoderma reesei se ha utilizado
ampliamente de manera comercial para la
producción de celulasas y hemicelulasas. Sin
embargo, T. reesei no puede degradar lignina.
En cambio, algunos hongos del grupo de los
basidiomycetes (en especial, Phanerochaete
chrrysosporium) son muy buenos
degradadores de este compuesto ya que
tienen enzimas peroxidasas que permiten
degradar la lignina Otros microorganismos
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[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
degradadores, aunque menos estudiados son:
Stropharia, Botritys, Daedalea flavida,
Phlebia fascicularia, P. floridensis y P.
radiat, degradan selectivamente la paja de
trigo y podrían ser muy buenos prospectos
para utilizarse en la conversión
biotecnológica de la lignina (Cuadro 5).
(Ruggeri y Sassi, 2003).
Cuadro 5. Lista de hongos con mayor actividad específica (μmol.min-1.mg-1) para lignina (modificado de Howard y col., 2003)
Enzima Organismo Substrato Actividad específica
Temperatura (ºC) pH
Manganasa peroxidasa
Stropharia coronilla
Mn2++H++H2O2 69 25 NA
Lacasa Montierella vinacea
1,2,4-benzenetriol + O2/1-naftol + O2/2-naftol + O2/3,5 – dimethoxy-hidroxy-benzaldazine + O2/ 4,5 – dimetil-o-fenilenediamine + O2/4-animo-N,N’ – dimetilaniline + O2/4 – metilcatecol + O2/ascorbato + O2/acido cafeico + O2/ catecol + O2/ acido galico + O2 guaiacol
5778 55 4
También los actinomicetos
Thermomonospora y Microbispora degradan
lignina. Por otro lado, las bacterias podrían
tener mucho más potencial en esta tarea;
especialmente porque es mucho más fácil
estudiar sus vías metabólicas, son mucho más
fáciles de reproducir y de transformar; por lo
que se les puede conferir la capacidad de
degradar específicamente determinados
compuestos recalcitrantes (Pérez y col.,
2002). Dentro de las bacterias con actividad
lignodegradadora se encuentran los géneros
Streptomyces, Cellulomonas, Pseudomonas,
además de bacterias que utilizan un complejo
enzimático celulolítico (celulosoma), como
Clostridium thermocellum y Ruminicoccus
(González y col., 2005). Las bacterias con
celulosoma han recibido gran atención,
principalmente porque pueden ser fuente de
genes lignicelulolíticos que se podrían utilizar
en ingeniería metabólica.
Por otro lado, el aislamiento y
caracterización de nuevas glucosil hidrolasas
a partir de bacterias han tomado gran
atención; principalmente porque:
1. Las bacterias presentan una velocidad
de crecimiento mayor que los hongos,
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[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
permitiendo una alta producción de la
enzima recombinante.
2. Las glicosil hidrolasas de bacterias son
a menudo más complejas y son
expresadas en complejos multi-
enzimáticos, incrementando su función
y sinergia.
1258
3. Las bacterias habitan en una amplia
variedad de ambientes y nichos
industriales, lo cual las hace resistentes
a diferentes ambientes.
4. Estos microorganismos pueden
producir enzimas que son estables bajo
condiciones extremas, pueden estar
presentes en el proceso de
bioconversión y esto puede aumentar
las velocidades de hidrólisis
enzimática, fermentación y
recuperación de producto. Muchos
investigadores están enfocados en la
utilización y mejoramiento de estas
enzimas para el uso en la industria de
los biocombustibles y bioproductos.
Existen solamente dos modos de
acción para la hidrólisis de celulosa por
celulasas, con la inversión o retención de la
configuración del carbono anomérico. El
modo de acción más común para celulasas
sobre polímeros es el anclaje exo o endo y
todas las celulasas especificas a las uniones
β-1,4-glicosídicas (Maki y col., 2009).
Por otra parte, el cultivo de bacterias
termófilas presentan grandes ventajas para el
tratamiento de biomasa lignocelulósica, tales
como: (1) reducen los riesgos de
contaminación, (2) reducen la viscosidad,
facilitando el mezclado, (3) aumentan el
grado de solubilidad del sustrato, mientras
que reducen los costos de enfriamiento.
Las bacterias también son capaces de
producir estructuras de proteínas complejas
como por ejemplo enzimas para la hidrólisis
de celulosa, tales como: celulosa, xilosoma y
enzimas bifuncionales o multifuncionales que
tienen actualmente muy alto impacto en la
industria.
Se sabe que grandes cantidades de
enzimas se necesitan para liberar la mayoría
de los azúcares de la biomasa lignocelulósica
(25 kg de enzima/ton de celulosa,
aproximadamente) (Houghton y col., 2006).
Estos requerimientos aumentan los costos en
la producción de combustibles celulósicos.
Finalmente, esta situación conduce a la
búsqueda de enzimas glicosil hidrolasas a
partir de otras bacterias, hongos y fuentes
inexploradas como las termitas (Warnecke y
col., 2007).
4. Bioprocesos
Hoy en día el etanol, el biodiesel y el biogás
constituyen los tres mayores productos
bioenergéticos. La Figura 4 muestra los
diferentes sistemas de producción. El etanol
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
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puede ser producido a partir de almidón
(maíz) y azúcar (caña de azúcar), son
hidrolizados en monosacáridos y
posteriormente fermentados en etanol. Otro
proceso para la obtención de etanol es la
utilización de la biomasa lignocelulósica, hay
un pretratamiento de la biomasa, hidrólisis
para la producción de monosacáridos y
fermentación. Por otro lado, en la producción
de biodiesel interviene la transesterificación
de ácidos grasos. Finalmente, la biomasa
puede utilizarse para producir metanol,
monóxido de carbono, hidrógeno y otros
gases a través de procesos de gasificación
(Figura 4).
Figura 4. Métodos de producción de biocombustibles (Yuan y col., 2008)
4.1. Bioetanol El etanol y el biodiesel pueden ser
usados como combustibles para transporte;
además, el etanol es importante materia prima
en la industria química.
El etanol, también conocido como alcohol
etílico y/o bioetanol, es el biocombustible
líquido más empleado, ya sea como
combustible o como potenciador de la
gasolina.
El etanol es uno de los mejores
prospectos para la producción biológica a
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partir de materia prima lignocelulósica, tal
como residuos forestales, agrícolas, urbanos o
cosechas energéticas. Sin embargo, la
tecnología y procesos usados actualmente
presentan ciertos obstáculos técnicos y
económicos para la producción a gran escala
(Himmel y col., 2007).
1260
Este alcohol presenta algunas ventajas
cuando se usa como oxigenante: 1) el alto
contenido de oxígeno implica menos
cantidades de aditivo. 2) el incremento en el
porcentaje de oxígeno permite una mejor
oxidación de los hidrocarbonos de la gasolina
con la consecuente reducción de las
emisiones de CO2 y compuestos aromáticos
(Cuadro 6).
El proceso convencional para producir
etanol a partir de biomasa lignocelulósica
incluye cuatro etapas principales (Margeot y
col., 2009):
1. Pretratamiento: rompe la estructura de
la matriz lignocelulósica.
2. Hidrólisis enzimática:
despolimerización de celulosa a
glucosa por medio de enzimas
celulolíticas.
3. Fermentación: metabolizando la
glucosa en etanol, generalmente por
cepas de levaduras.
4. Destilación-rectificación-
deshidratación: separación y
purificación de etanol a las
especificaciones del combustible.
El éxito en la producción a gran escala
de etanol a partir de lignocelulosa depende de
la relación entre el diseño de procesos y el
microorganismo.
El rendimiento del etanol es del 25%
más energía que la energía invertida en su
producción. En comparación con los
combustibles fósiles, el etanol reduce las
emisiones de efecto invernadero en un 12%.
4.1.1. Fermentación y metabolismo típico de Saccharomyces
El microorganismo más empleado para la
producción de etanol es Saccharomyces
cerevisiae, esto se debe a su capacidad para
hidrolizar sacarosa de la caña en glucosa y
fructosa, dos hexosas fácilmente asimilables
por esta levadura. Pichia stipitis o diversas
especies de Candida son utilizadas para la
degradación de pentosas. Bajo condiciones
óptimas S. cerevisiae puede producir hasta
un 10-12% de etanol. Utilizando levaduras
especiales se ha llegado hasta 20% (Demain,
2009).
La aireación es un factor importante en
el crecimiento y en la producción de etanol
por S. cerevisiae. Este microorganismo
requiere pequeñas cantidades de oxígeno para
la síntesis de sustancias como ácidos grasos y
esteroles. El oxígeno puede ser suministrado
mediante la adición al medio de algunos
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químicos como urea peróxido de hidrógeno
(peróxido de carbamida), el cual también
contribuye a la reducción de contaminantes
bacterianos (Narendranath y col., 2000).
1261
4.1.2. Procesos de producción de etanol
Diferentes sistemas de producción son
utilizados para la fabricación de etanol. En
los siguientes párrafos se presentan las
principales características de cada proceso.
Fermentación tipo Batch: el proceso
Melle-Boinot es el típico proceso para la
producción de bioetanol en fermentación por
lote (batch). Este proceso comprende el peso
y la esterilización de la materia prima,
seguido por el ajuste del pH con H2SO4, la
concentración y medición de azúcares
(grados Brix entre 14-22). El mosto obtenido
es fermentado por las levaduras. El vino
producido es decantado, centrifugado y
enviado a la etapa de separación del etanol,
mientras que las levaduras son recicladas a la
fermentación hasta alcanzar alta
concentración celular durante el cultivo
(Kosaric y Velikonja, 1995).
Fermentación tipo Fed-batch: este
cultivo implica bajos niveles de
concentración de sustrato durante la
fermentación, mientras que el etanol es
acumulado en el medio. En este tipo de
cultivo hay recirculación de células y es la
tecnología más empleada en Brasil para la
producción de bioetanol ya que se obtienen la
mayor productividad volumétrica.
El control del flujo del medio es una
ventaja ya que neutraliza el efecto inhibitorio
causado por elevadas concentraciones de
sustrato y/o producto en el medio de
fermentación. En este tipo de cultivo, la
alimentación juega un papel muy importante
sobre la productividad y el rendimiento en
etanol (Cardona y Sánchez, 2007).
Por otro lado, Alfenore y col., (2004)
mostraron que la mayor concentración de
etanol (147 g/L) se puede obtener en cultivo
sin limitación de oxígeno (0.2vvm) durante
solamente 45 h de fermentación, en
comparación con condiciones de
microaerobiosis.
La producción de etanol también se
puede llevar a cabo por medio de
fermentaciones tipo batch y múltiples. La
cepa de levaduras está floculando en el medio
de cultivo. El mecanismo de estas
fermentaciones es el siguiente: se inicia con
una fermentación convencional, las levaduras
son decantadas en el mismo vaso donde
fueron cultivadas, se remueven del caldo de
fermentación. Enseguida, una cantidad igual
de medio de cultivo fresco es adicionado para
el siguiente cultivo por lote (batch), se
alcanzan elevadas concentraciones y el efecto
de inhibición por etanol es reducido sin la
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
necesidad de adicionar agentes floculantes,
separación o envases de recirculación. Estos
cultivos por lote se pueden llevar a cabo hasta
el momento en el que la actividad y
viabilidad del cultivo se pierde como
consecuencia de una elevada exposición al
medio ambiente de la fermentación; cuando
esto ocurre, el sistema podría ser reinoculado.
1262
Proceso continuo: la fermentación en
continuo presenta varias ventajas sobre los
procesos tradicionales tipo batch ya que
disminuye los costos de construcción del
biorreactor, los requerimientos de
mantenimiento y operación son menores,
existe un mejor control del proceso y presenta
elevadas productividades. Debido a esto, el
30% del etanol producido en Brasil es a partir
de la fermentación en continuo (Monte
Alegre y col., 2003).
La mayoría de estas ventajas se deben
a las elevadas concentraciones celulares
encontradas en este proceso. Tales densidades
se pueden alcanzar por técnicas de
inmovilización.
4.1.3. Inconvenientes en la fermentación
Durante la fermentación de azúcares
derivados de la biomasa lignocelulósica se
producen ciertos compuestos inhibidores que
tienen un efecto negativo durante la
fermentación. Usualmente, existen dos
alternativas para reducir el impacto de
inhibidores sobre los procesos de
fermentación. Uno de ellos es introducir
etapas de procesos biológicos, químicos o
físicos para remoción o inactivación de
inhibidores. El otro es mejorar la tolerancia
de las levaduras fermentativas a los
inhibidores.
Evidentemente, los métodos físicos y
químicos de detoxificación son efectivos pero
costosos. Por otro lado, los métodos
biológicos aplicados en la inactivación del
metabolismo in situ de inhibidores o en el
desarrollo de levaduras más resistente al
estrés son menos costosas (Yan y col., 2009).
4.2. Butanol
Otro alcohol primario que presenta también
potencial como biocombustible es el butanol,
el cual está constituido por cuatro átomos de
carbono.
Comparando el etanol con el butanol
podemos observar que este último alcohol
podría ser una muy buena alternativa como
biocombustible ya que puede combinarse con
gasolina hasta en un 40%, no es corrosivo y
es mucho menos hidrofílico y volátil que el
etanol, por lo que puede distribuirse en los
dispositivos convencionales (oleoductos), de
la misma manera que la gasolina. Además,
presenta 30% mayor densidad energética que
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el etanol (37 vs 27 kJ/g), presenta una mejor
relación aire/combustible, lo que significa
una mejor combustión (Dürre, 2007;
Demain, 2009). (Cuadro 6). Sin embargo, el
etanol presenta un mayor octanaje lo cual
permite obtener la máxima cantidad de
energía útil durante la combustión,
reduciendo de esta forma la cantidad de
contaminantes a la atmósfera.
1263
Cuadro 6. Comparación de etanol versus butanol
combustible Contenido energético
(kJ/L) Relación
aire/combustible Número de
octanaje
Etanol 27.0 3.0 129 Butanol 37.0 11.2 96
El butanol es más tóxico para los
microorganismos que el etanol. Por ejemplo,
Clostridium soporta concentraciones de
butanol de 13 g/L (Fisher y col., 2008),
mientras que Saccharomyces tolera
concentraciones superiores a 140 g/L de
etanol.
4.2.1. Fermentación y metabolismo típico de Clostridium
El n-butanol es un producto de la
fermentación de Clostridium acetobutylicum
y Clostridium bjerinkci. Es producido a partir
de acetil-CoA a través de la dimerización de
dos moléculas de acetil-CoA en acetoacetil-
CoA. Varias enzimas están implicadas en este
proceso, las cuales permiten la reducción y
deshidratación de acetoacetil-CoA en ácido
butírico. El butirato puede ser re-
metabolizado para dar n-butanol.
Clostridium puede utilizar desechos
celulósicos y producir ciertos alcoholes ya
que tiene un sistema complejo de enzimas
especializadas para la degradación de
celulosa, el “celulosoma”. Generalmente se
usan bacterias termófilas porque el proceso es
más eficiente para la remoción y recuperación
de productos volátiles como el alcohol (Pérez
y col., 2002). Clostridium es excelente para la
sacarificación y fermentación simultánea
(SSF) (Chandrakant y Bisaria, 1998) ya que
produce enzimas celulolíticas que permiten la
sacarificación y la producción de etanol. Sin
embargo, Clostridium no puede degradar
pentosas y su complejo enzimático lo hace
difícil de modificar genéticamente, por lo que
se ha recomendado utilizarla en combinación
con otro microorganismo que sea capaz de
fermentar pentosas.
4.3. Modificación genética de microorganismos productores de biocombustibles
En los últimos años diversos investigadores
se han dedicado a desarrollar cepas de
levaduras y bacterias con la capacidad de
utilizar todos los azúcares obtenidos en la
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degradación de la biomasa lignocelulósica.
Además de obtener cepas microbianas que
utilicen todos los azúcares, éstas deben de ser
resistentes a los compuestos producidos
durante la degradación de la biomasa
(Peterson y col., 2008).
1264
S. cerevisiae ha sido sometido a
diversas transformaciones moleculares con el
fin de aumentar su porcentaje de producción
de alcohol; se eliminó el gen de la glicerol-3-
fosfato deshidrogenasa y se sobreexpresó el
gen de glutamato sintasa para mejorar la
relación de los agentes reductores dentro de
la ruta metabólica, lo que le permitió a S.
cerevisiae aumentar la producción de etanol
(Kong y col., 2007). También se han
modificado las bacterias Escherichia coli y
Klebsiella oxytoca para producir etanol en
lugar de ácidos orgánicos. Se clonaron y
expresaron los genes de la alcohol
deshidrogenasa y la piruvato descarboxilasa
de Zymomonas mobilis en E. coli y K.
oxytoca, E coli produjo hasta 60 g de etanol
por 100 g de celulosa y K. oxytoca 47 g de
etanol por de 100 g de celulosa (Doran e
Ingram, 1993; Yamano e Ingram 1998)
(Cuadro 7).
Cuadro 7. Principales bacterias y levaduras con capacidad de convertir azúcares a etanol
Cepa Concentración de etanol producido
(g/l) Referencia
Escherichia coli (genéticamente modificada)
60/100 g celulosa Yomano e Ingram, 1998
Klebsiella oxytoca (genéticamente modificada)
47/100 g celulosa Doran e Ingram, 1997
Zymomonas mobilis
21-34/100 celulosa/ hemicelulosa
Bothast y col., 1999
Clostridium thermocellum 26 g/100 g celulosa Lynd y col.,
2005 Saccharomyces cerevisiae 1-041-S
25-50 / 100 g sacarosa
Leticia y col., 1997
Candida utilis 44.4/100 g glucosa Vallet y col., 1996
La ingeniería metabólica puede jugar
un papel muy importante en el mejoramiento
de la producción de biocombustibles.
Específicamente, para la producción de
biodiesel la ingeniería metabólica podría
ayudar a incrementar el contenido de aceite y
modificar la composición de las semillas.
Varias investigaciones reportan un aumento
en la producción de lípidos por la expresión
inducida de genes exógenos que son clave en
la biosíntesis de lípidos.
En lo que se refiere al mejoramiento en
la producción de azúcares para la producción
de etanol, el uso de la ingeniería metabólica
ha permitido aumentar el rendimiento de
azúcares. Recientes investigaciones
mostraron que la expresión de la enzima
sacarosa isomerasa de bacterias en vacuolas
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duplicó el rendimiento de sacarosa de la caña
de azúcar.
Globalmente, la biotecnología de
plantas juega un papel crucial en la siguiente
generación de los bioenergéticas para
producir materias primas lignocelulósicas con
alto rendimiento, mejor eficiencia en el uso
de agua, mayor ganancia neta de energía,
bajos niveles recalcitrantes, aumento en la
tolerancia de estrés abiótico y mejoramiento
en los beneficios ecológicos, así como
también en la fijación de carbono, agua y
conservación del suelo.
1265
4.4. Biodiesel
El biodiesel es un combustible que requiere
una tecnología de producción simple
comparado con el requerido por el etanol. El
biodiesel es una mezcla de combustible diesel
con el aceite de las semillas de plantas, algas
o otras fuentes biológicas como grasas
animales, las cuales tienen que ser
transesterificadas para eliminar el glicerol
(Yuan y col., 2008). Una gran variedad de
especies de plantas son utilizadas actualmente
para la producción de biodiesel, incluyendo
soya, canola, girasol y palma. Después de que
el aceite ha sido extraído, es transesterificado
para obtener metil biodiesel o ésteres etílicos
como productos.
Las fuentes y las formas de biodiesel
pueden ser diversas y esto depende de
factores ambientales y económicos.
4.5. Biogás
El biogás representa el tercer biocombustible
de la modernidad. Es producido a partir de
una gran variedad de desechos orgánicos y se
puede utilizar para producir gas natural o
electricidad, así como metano, hidrógeno y
monóxido de carbono. La gasificación
presenta un balance neto de energía bajo, lo
que ocasiona limitaciones en producción
(Börjesson y Berglund, 2006).
Por otro lado, la producción de
hidrógeno por algas verdes y microbios se ha
propuesto como una excelente fuente de
combustibles de tercera generación.
4.6. Algas
Las microalgas son microorganismos
fotosintéticos que convierten la luz del sol, el
agua y el dióxido de carbono en biomasa.
Muchas de las microalgas existentes son
excesivamente ricas en aceite que puede ser
convertido en biodiesel. Las microalgas
juegan un importante papel para disminuir el
uso de combustibles derivados del petróleo,
sin usar además cosechas dedicadas a la
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
1266
alimentación, así como otros productos
agrícolas.
El contenido de aceite en algunas
microalgas excede el 50-70% del peso seco
de la biomasa de las algas. Por otro lado, se
sabe que la soya y la palma se utilizan
actualmente para la producción de biodiesel
debido a su contenido de aceite; sin embargo,
estos cultivos sólo contienen 5% de aceite del
total de la biomasa, lo que es mucho menos
que la cantidad encontrada en las microalgas.
Otra gran ventaja de las microalgas es que
crecen rápidamente y generalmente duplican
su biomasa en 24 horas. En la Figura 5
(Chisti, 2008) se presentan algunos de los
usos de las microalgas. Como podemos
observar, la producción de biomasa requiere
de luz, dióxido de carbono, agua y nutrientes
inorgánicos. El agua y los nutrientes
residuales se recuperan y se pueden reciclar
para la siguiente etapa (cultivo de biomasa).
La biomasa concentrada es extraída con un
solvente (generalmente hexano) inmiscible
en agua para recuperar el aceite de las algas,
este aceite se puede convertir en biodiesel. La
biomasa residual que permanece después de
esta etapa se puede usar para alimentación
animal debido a su alto contenido de
proteínas. También la biomasa residual se
puede emplear para la producción de biogás
a través de digestión anaeróbica. El biogás
producido se puede usar en dos caminos: 1)
como fuente primaria para la producción y
procesamiento de la biomasa de algas y 2)
para la generación de electricidad. El dióxido
de carbono generado de la combustión de gas
también se puede reciclar directamente para
la producción de biomasa de algas.
Figura 5. Bioenergéticos a partir de microalgas (Chisti, 2007).
[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009
Las microalgas se pueden crecer en
diversos fotobioreactores; sin embargo, los
tubulares son los más adecuados. Con
respecto a las especies de algas utilizadas,
Gouveia y Oliveira (2009) mostraron que la
microalga de agua dulce Neochloris
oleabundans y la microalga de agua salada
Nannochloropsis sp. son las mejores para la
producción de biocombustible, esto se debe a
su elevado contenido de aceite (20-35 y 31-
68%, respectivamente). Otra ventaja de estas
algas es que pueden asociarse con otras
microalgas que produzcan aceite y/o con
aceites vegetales.
1267
El uso de la ingeniería metabólica y la
genética ha proporcionado un impacto
positivo en la producción de microalgas, lo
que ha impactado disminuyendo los costos de
producción de diesel a partir de algas (Walker
y col., 2005). No obstante, futuras
investigaciones son necesarias para: a)
aumentar la eficiencia fotosintética e
incrementar el rendimiento de la biomasa, b)
incrementar la velocidad de crecimiento de
las algas, c) elevar el contenido de aceite en
la biomasa y d) mejorar la tolerancia de las
algas a factores ambientales (temperatura,
pH, oxigeno, entre otros).
5. Tendencias
Los combustibles líquidos para transporte
derivados de fuentes renovables
lignocelulósicas ofrecen características únicas
y deseables:
a. Fuente inagotable y segura de
suministro.
b. No al uso de alimentos para la
producción de biocombustibles.
c. Más bajo uso de combustible fósil.
La aplicación de nuevos sistemas de
modificación enzimática para la hidrólisis de
celulosa, la construcción de cepas de
levaduras industriales capaces de fermentar
pentosas y tolerantes a inhibidores,
combinado con la integración de procesos
optimizados es un prometedor panorama,
mejorando el fututo y la tendencia a usar
biocombustibles.
Con respecto a los microorganismos,
es necesario el desarrollo de una cepa
industrial eficiente para lo que se requiere el
conocimiento de factores fisiológicos, la
tolerancia al producto final y a los
compuestos inhibitorios. Por otro lado, para
mejorar la viabilidad de la degradación del
complejo lignina-celulosa la posibilidad es
que las enzimas deberían de tener una alta
capacidad de absorción, elevada eficiencia
catalítica, alta estabilidad térmica y baja
inhibición por producto final (Maki y col.,
2009). Además, el aislamiento y
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caracterización de bacterias productoras de
celulasas podría ser otro importante aspecto
en la investigación de biocombustibles.
Actualmente, las modificaciones sobre
celulasas bacterianas a través de ingeniería de
proteínas han tomado gran auge en la
producción de enzimas hidrolíticas usadas en
un amplio grado en las industrias.
La producción a gran escala de
biocombustibles celulósicos requiere de la
integración y el conocimiento de muchas
disciplinas. A corto plazo la mayor
investigación se sitúa en encontrar especies
de cultivos que sean efectivos para la
producción de biocombustibles a partir de
biomasa lignocelulósica, además de evaluar
aspectos ambientales y económicos. A largo
plazo muchas oportunidades existen para
modificar cosechas energéticas con respecto a
aspectos agronómicos relacionados a la
composición de la biomasa (Carol y
Somerville, 2009).
La aplicación de la biología sintética
en la producción de biocombustibles es de
suma importancia ya que nos permite generar
nuevas vías metabólicas, así como
mecanismos que contribuyan a aumentar la
producción de etanol y butanol; además, a
incrementar la tolerancia a los solventes y
condiciones ambientales. Por lo tanto, con el
uso de la biología sintética obtendríamos
procesos más efectivos y menos costosos
(French, 2009). El uso de las técnicas
llamadas “omics” podría ayudar a entender
los genes, las proteínas y los metabolitos
implicados en la degradación de la biomasa
lignocelulósica, lo cual proporcionará
mejoramientos en los procesos actuales.
Otra tendencia es lograr un bioproceso
consolidado (CBP) en el que se produce la
hidrólisis de la biomasa y la fermentación de
los azúcares en un solo paso, resultando en
los productos deseados y de manera eficiente
(Stephanopoulos, 2007). A pesar de múltiples
esfuerzos, esto no se ha logrado, sobretodo
porque no se conocen con claridad los
mecanismos de degradación de compuestos
lignocelulósicos (Lynd y col., 2005).
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