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7/26/2019 La Biotecnologa Actual y Su Impacto
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RESUMEN
UNIVERSI
DAD
TCNICA
DEAMBATO
FACULTAD
DECIE
NCIA
EINGENIERA
EN
ALIM
ENTOS
BIOPROCESOS
INTEGRANTES:
Mara Beln Escobar
Violetta Guijarro
Ana TelloDiego Palacios
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La biotecnologa actual y su impacto en la industria de la
refinacin del petrleo
La biotecnologa consiste en la utilizacin de la maquinaria
biolgica de otros seres vivos de
forma que resulte en un beneficio para el ser humano, ya sea
porque se obtiene un producto
valioso o porque se mejora un procedimiento industrial. La
modificacin de ADN (cido
desoxirribonucleico) ha permitido el avance de la
industrializacin en ramas como laagroalimentaria, farmacutica,
agroqumica, ambiental y qumica.
La investigacin actual y futura en biotecnologa del petrleo y
reas relacionadas, permitir la
innovacin en las siguientes reas:
La biotecnologa del petrleo se refiere entonces a la aplicacin
de procesos biolgicos o
productos en las diferentes actividades de la industria
petrolera: exploracin, produccin,
refinacin, petroqumica y medio ambiente.
La refinacin del petrleo presenta actualmente varios retos como
son la disminucin de las
reservas petroleras, los precios variables del crudo, el aumento
en la demanda de
combustibles limpios y petroqumicos as como una normativa
internacional ms estricta para
la conservacin del medio ambiente, es por ello que la industria
petrolera se interesa en la
biotecnologa como una alternativa que le permita afrontar los
retos anteriores sobre la base
de la gran versatilidad del metabolismo microbiano y su
habilidad intrnseca para transformarsubstratos complejos en
condiciones ambientales extremas.
BIOREFINACIN: El petrleo crudo es una mezcla compleja de
hidrocarburos (parafinas,
naftenos y aromticos) que debe ser procesado en productos de
mayor valor agregado tales
como el gas licuado de petrleo (GLP), la gasolina, el disel,
disolventes, el queroseno,
destilados medios, el aceite residual y el asfalto. El proceso
de refinacin comprende varias
operaciones trmicas y catalticas para convertir a las molculas
de la fraccin pesada en
molculas ms pequeas, llamadas fracciones ligeras, que tienen una
menor temperatura de
destilacin. La biorefinacin del petrleo aplica biotecnologa para
el fraccionamiento y
mejoramiento del mismo, este proceso implica la reduccin de la
contaminacin y el consumo
de energa.
Alimentos paraconsumo humano
y animal
Produccin decultivos
Salud humana yanimal
Contaminacin
Petrleo
Produccinanimal
Energa
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La biorefinacin del petrleo
Es decir la aplicacin de biotecnologas en el fraccionamiento
y
mejoramiento del mismo, puede contribuir a la reduccin de la
contaminacin y del consumo de energa y a la obtencin de
productos de mejor calidad. La industria moderna de la
refinacinenfrenta dos impulsores claves: el endurecimiento de las
normas
ambientales que limita el contenido de compuestos azufrados
en
combustibles as como la emisin de xidos de azufre y nitrgeno,
y
la disminucin lenta pero constante de las reservas de crudo
ligero,
impulsor obliga a mejorar los sistemas de refinacin debido a
una
mayor alimentacin de petrleo pesado, rico en asfaltenos,
metales, azufre y nitrgeno.
Eliminacin de azufreEl azufre y el nitrgeno representan los
mayores componentes del petrleo que contribuyen a
la contaminacin del aire, la lluvia cida, la corrosin de
infraestructura y al envenenamiento
de los catalizadores. La combustin de diesel de alto contenido
en azufre no altera
significativamente la emisin de hidrocarburos al ambiente pero
aumenta la emisin de xidos
de azufre y duplica la de xidos de nitrgeno. Los refinadores de
petrleo estn enfrentados al
problema de la eliminacin de azufre del petrleo mediante el
desarrollo de tecnologas
innovadoras.
La hidrodesulfuracin (HDS)
Para reducir el contenido de azufre y nitrgeno con la
produccin de cido sulfhdrico y amonaco y satisfacer la
normativa actual de 500 ppm en diesel automotriz. Una
desulfuracin profunda (deep HDS) que reduzca el nivel
de azufre a menos de 200 ppm necesita el empleo de
condiciones de reaccin ms severas: una temperatura
entre 265 y 425 OC, una presin de 75-100 kg/cm2 e
hidrgeno (290-1260 scf/bbl); lo que incrementa la
inversin y el costo de proceso.
Adsorcin de azufre (S-Zorb)
Philipps Petroleum desarroll una tecnologa, reduciendo
el contenido de azufre a 10 ppm con un costo de 0,9-1,2
centavos de dlar por galn. La tecnologa se aplica
actualmente solamente a gasolina debido a su contenido
en compuestos azufrados de menor peso molecular del
tipo de mercaptanos y tiofenos que son ms reactivos.La oxidacin
de azufre
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Unipure Corp. y Texaco desarrollaron otra tecnologa
alternativa, en la interfase de una emulsin
petrleo/agua con un agente oxidante como perxido de
hidrgeno. El principal inconveniente fue la necesidad deromper
la emulsin para recuperar la fraccin de
petrleo de sulfurada y la fraccin acuosa rica en
compuestos azufrados oxidados.
Las tecnologas convencionales y alternativas permitieron
alcanzar un contenido de azufre de
10 ppm en los combustibles, pero estn dirigidas en general al
tratamiento de cargas
provenientes de petrleo ligero con un menor contenido de azufre,
nitrgeno y metales.
La desulfuracin biolgica (BDS)
BDS de combustibles es otra tecnologa alternativa a la
HDSNotables avances en BDS fueron alcanzados en esta ltima dcada.
Se
descubrieron nuevas cepas especficas de azufre, por ejemplo,
Brevibacterium , Pseudomonas, Gordona , Rhodococcus, basadas en
una va
desulfurizante 4S consistente en dos monoxigenasas
FMNH2-dependientes,
una Desulfinasa y una Flavin reductasa NADH-dependiente.Los
operones
que codifican para estas enzimas y para una Flavin reductasa
de
Paenibacillus polymyxa fueron aislados, caracterizados,
clonados, mutados,
sobre expresados y recombinados .
La va microbiana selectiva de eliminacin de azufre (va 4S) de
los
compuestos del petrleo fue descubierta en 1978 y abri nuevas
oportunidades para la biotecnologa en la produccin de
combustibles limpios debido a que no afect significativamente
el
valor calrico
Las monoxigenasas DszC y DszA
Muestran la presencia de iones metlicos en su centro activo pero
an no se ha dado a
conocer la estructura cristalina completa. Estas enzimas son
activas frente a compuestos
refractarios a la HDS como el dibenzotiofeno (DBT) ylos
derivados metilados (C1-DBT) y en menor grado
frente a las molculas altamente alquiladas (Cx-
DBT). La va 4S es un sistema de 4 enzimas con
requerimiento de cofactores que limitan la BDS al
uso de clulas completas o extractos celulares. Sin
embargo, se ha alcanzado una eliminacin de hasta
el 70% de azufre para soluciones modelo de DBTs y
diesel.
El bioprocesamiento de los combustibles se realiza regularmente
en una emulsin delpetrolfero en agua para mantener la viabilidad
microbiana y su actividad. La reaccin de
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oxidacin se realiza en el citoplasma por lo que se requiere del
transporte de los DBTs del
petrolfero a la clula.
Resultados preliminares del Oak Ridge National Laboratory
mostraron que la produccin de un
agente tensoactivos y la hidrofobicidad de la pared celular de
Rhodococcus sp. formaron una
emulsin agua-hexadecano con una tensin superficial de la fase
acuosa de 35 dyn/cmcomparada con los 58 dyn/cm logrados por E. coli
. Adems, se conoce que ciertas cepas de
Pseudomonas producen agentes tensoactivos y tienen una alta
resistencia a disolventes (log P
de 3,1 a 3, 4] atribuido a la rigidez de su membrana y a un
flujo activo de disolvente en las
clulas. Esto permiti disear varias Pseudomonas recombinantes que
incorporaron los genes
de desulfuracin
La aplicacin industrial de la BDS requiere tratar destilados
intermedios con un contenido de
azufre entre 200 a 500 ppm.
El uso de sistemas enzimticos aislados en la BDS
Tiene la ventaja de requerir cantidades mnimas de agua o an
funcionar en condiciones anhidras como las que se encuentran en
los
disolventes orgnicos o los combustibles. La desulfuracin
enzimtica
tiene al menos tres ventajas con respecto a la utilizacin de
microorganismos completos o restos celulares: presentan
actividad
cataltica a baja o nula actividad acuosa (Aw), presentan una
mayor
estabilidad termomecnica y tienen mnimos problemas de
transferencia de masa. Adems, existen enzimas oxidasas, muchas
de
ellas sin requerimiento de cofactores, con una alta actividad y
amplia
especificidad.
Los HPAs son oxidados por los radicales que genera la lacasa
entres estos tenemos la anilina, la
metionina, el cido 2,2azino-bis y el 1-hidroxibenzotriazol en
donde el DBT es oxidado por una
lacasa fngica HBT a velocidad muy baja para ser considerada
en un proceso de desulfuracin de disel.
Para oxidar los compuestos organoazufrados presentes en el
disel se utiliz la enzima Cloroperoxidasa con una destilacin
a 325 OC. En donde se obtuvo una eliminacin del 83% de los
compuestos organoazufrados, mientras en la oxidacin de
DBT por citocromo C se redujo ms del 80% del azufrado
inicial , en donde el contenido de DBT de una solucin modelo
de 640 ppm de azufre a 30 se redujo en un 18% mediante el uso de
materiales biomimticos
con reconocimiento molecular, es por tal razn que se dedujo que
un proceso industrial
basado en la BDS requiere menos energa y genera una cantidad de
CO2 del orden del 20 al
27%, menor comparado con la convencional HDS como lo demostr un
estudio realizado en
Industrias como el Petroleum Energy Center of Japan junto con el
King Abdulaziz City for
Science and Technology en donde varios laboratorios
nacionales
de EE.UU.A, y el IMP realizaron procesos de BDS en donde el
escalamiento, la disponibilidad de equipo y la remodelacin
de
refineras existentes representaron problemas adicionales a
laimplementacin de los procesos biolgicos en refinera. Sin
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embargo, Paques Bio Systems BV and Shell International Oil
Products utilizaron y comercializan
actualmente un proceso de endulzamiento de gas por medio de una
bacteria del gnero
Thiobacillus para eliminar el cido sulfhdrico, lo que representa
un buen ejemplo de la
capacidad de los procesos biolgicos en la industria petrolera,
adems para la eliminacin de
nitrgeno que se encuentra de forma natural en el petrleo se
realiz una
hidrodesnitrogenacin la cual permiti reducir adems el contenido
de azufre de 16000 a 460ppm a 360 OC .
Desde un punto de vista cientfico y tecnolgico el desarrollo de
procesos biolgicos en la
desnitrogenacin de petrolferos es importante en donde se usan
cepas de Pseudomonas spya
que estos emplean los compuestos petrolferos como fuente de
carbono, nitrgeno y energa
para disminuir los catalizadores de HDS. Segn algunos
especialistas, el hidrotratamiento convencional es ms
conveniente para la refinacin del petrleo debido a su alta
eficiencia y disponibilidad, mientras que La BDN podra
utilizarse
slo para la biorremediacin de sitios contaminados por
derrames.
Los investigadores del Institute of Gas Technology (EE.UU.)
y
Petrobras (Brasil) aislaron y obtuvieron por mutagnesis la
cepa
Pseudomonas ayucida que utiliza a la quinolina como nica fuente
de nitrgeno sin
transformar el resto del hidrocarburo. El tratamiento de un
crudo pesado con los restos
celulares de la cepa elimin el 68 % del nitrgeno total.
El petrleo puede describirse fcilmente en trminos de ligero y
pesado, ste ltimo
caracterizado por un incremento del contenido de carbono y de
heterotomos como el
nitrgeno, azufre y oxgeno. El petrleo contiene adems metales,
principalmente vanadio y
nquel, en forma de sales en la fraccin de asfaltenos que son
fcilmente eliminados durante elproceso de desalado del petrleo y en
metaloporfirinas de difcil eliminacin debido a su
estructura compleja
Estos metales pesados son corrosivos, inhibidores de los
catalizadores usados en refinacin y
son emitidos en forma de xidos txicos durante la combustin de
los combustibles en donde
los procesos biolgicos pueden ser una opcin econmica y
ambientalmente viable para la
ruptura o biodesintegracin de las estructuras asfaltnicas para
obtener un petrleo de mayor
valor agregado y esto se realiza mediante el uso de bacterias
extremfilas como
Achromobacter, Leptospirillum, Pseudomonas, Sulfolobus,
Thiobacillus sp., las cuales
transforman al petrleo pesado en ligero .
Algunos colaboradores en la experimentacin sealaron que la
actividad y estabilidad
biocataltica as como la cantidad de agua utilizada en los
bioprocesos representan la principal
limitacin para la aplicacin de la BDS, en donde la biorefinacin
del petrleo tiene que tomar
en cuenta las limitaciones de los biocatalizadores, el volumen
de agua y los problemas de
transferencia de masa tanto de las cepas identificadas as como
de las enzimas, adems el
grupo de Dordick identific tres biotecnologas claves para el
desarrollo de la industria futura:
nuevas cepas de ambientes extremos
ingeniera metablica y
sntesis enzimtica de productos qumicos.
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Prospectiva tecnolgica.
El impacto de la biorefinacin de combustibles limpios y
mejoramiento del petrleo crudo.
La principal limitacin para la aplicacin de BDS es la actividad
y estabilidad biocataltica y la
cantidad de agua utilizada. Se identific nuevas biotecnologas:
Cepas de ambientes extremos,
ingeniera metablica y sntesis enzimtica de productos
qumicos.
Mapa Tecnolgico de la biorefinacin
El mejoramiento de la biorefinacin del petrleo estar dado en dos
periodos: La primera
enfocada a resolver problemas bsicos y generacin de
conocimiento. La segunda la aplicacin
de normas ambientales de la EPA y en la ingeniera de procesos de
transferencia de masa y
energa, reingeniera de proceso, reduccin de contaminacin cruzada
de azufre en el
transporte y almacenamiento.
La solucin a la actividad enzimtica y tolerancia de disolventes
debe buscar microorganismos
extremfilos, sistemas enzimticos independientes de enzimas,
produccin de agentes
tensoactivos con mejoramiento de la velocidad de reaccin .Los
biocatalizadores deben resistir
medios altamente hidrfobos, como la gasolina, diesel o gasleo
adems de ser activos y
estables a temperaturas superiores de C.
La transferencia de masa debe mejorar la emulsin de agua-aceite
para aumentar la migracin
de los sustratos del petrleo al biocatalizador as como la
eliminacin de metabolitos txicos.
La cantidad de agua debe ser nula o mnima para mantener activo y
estable el biocatalizador y
separar la fase de emulsin agua-aceite.
La adicin de agentes tensoactivos para incrementar la velocidad
de reaccin y ruptura deemulsin.
Se estudiara la membrana celular e ingeniera de bioprocesos en
el transporte de petrleo a la
fase acuosa y al interior de las clulas.
El estampado molecular permite disear matrices polimricas.
Materiales mesoporosos son
biocatalizadores ideales.
La biodesulfuracin de diesel mediante dos vas que permiten
realizar el proceso de BDS de
diesel en menos de una hora. El proceso HDS-BDS es factible en
corto plazo debido a que solo
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se necesita una remodelacin en refineras y la eliminacin de
compuestos
organonitrogenados permite mejorar el rendimiento en la
desulfuracin.
A futuro se enfocara en la mutagnesis. La combinacin de
fenotipos de desulfuracin,
resistencia de disolventes y agentes tensoactivos resistentes a
altas temperaturas. La
modificacin fsico/qumica o encapsulacin en matrices polimricas
son investigacionesfuturas.
Las tierras bituminosas son fuentes de petrleo no convencionales
que necesitan de la
inyeccin de gasleo o crudo ligero para disminuir su viscosidad
pero son de gran inters
econmico. Solo las reservas de Canad representan 300 mil
millones de Barriles.
Las biotecnologas tienen un gran campo de aplicacin en este tipo
de tierras. Hongos que
permiten disminuir la viscosidad y mejorar el flujo y bombeo de
los yacimientos, tambin se
pueden utilizar peroxidasas o lactasas
