Diseño de un proceso de producción de enzimas celulolíticas a partir de bagazo de caña de azúcar

Abstract

Se realizó el diseño de un proceso de producción de enzimas celulolíticas a escala industrial por fermentación sumergida utilizando bagazo de caña de azúcar como sustrato inductor y el hongo Trichoderma reesei como microorganismo productor. La etapa de fermentación fue seleccionada como el proceso central y se evaluaron distintas concentraciones iniciales de sustrato y estrategias de alimentación semibatch con el objetivo de determinar las mejores condiciones de operación para promoverla producción enzimática. Se realizaron simulaciones del proceso de fermentación a concentraciones iniciales de sustrato entre 10 y 70 g/L y con distintos modos de operación a partir de modelos cinéticos de crecimiento y producción enzimática del microorganismo seleccionado. Se obtuvieron los mejores resultados al operar de manera semibatch con alimentaciones de bagazo a las 70 y 120 horas, alcanzando una actividad enzimática de 10 FPU/mL tras 180 horas de operación. A partir de estos resultados se dimensionó el fermentador principal y los fermentadores de siembra aguas arriba para el cultivo del microorganismo. De la misma manera, se establecieron consideraciones de diseño y las condiciones de operación para las unidades de separación de sólidos y concentración de enzimas por precipitación aguas abajo basadas en la composición final de la mezcla de fermentación, con el objetivo de obtener como producto final un cocktail enzimático concentrado con una actividad de 160 FPU/mL. Con base en el análisis económico del proceso propuesto para diferentes capacidades de producción se determinó la viabilidad del mismo a partir del costo unitario de producción y la tasa interna de retorno (TIR) tomando como referencia el remanente de bagazo de una biorrefinería en el norte del Perú con una capacidad de procesamiento de 4 300 toneladas diarias de caña de azúcar.

An industrial-scale cellulolytic enzymes production process by submerged fermentation was designed using sugarcane bagasse as the substrate and Trichoderma reesei as the producing microorganism. The fermentation step was selected as the main process and various substrate initial concentrations and fed batch strategies were analyzed in order to determine the best operating conditions to enhance enzymatic production. Starting from the microorganism growth and enzymatic production kinetic models, simulations of the fermentation process were run by varying the initial substrate concentration between 10 and 70 g/L and introducing different feeding regimes. The best results were obtained when feeding the substrate at 70 and 120 hours into the process, producing a mixture with an enzymatic activity of 10 FPU/mL after 180 hours of operation. The main and seed fermenters were designed from these results. Design considerations and operating conditions for the solids separation and enzyme concentration units were defined based on the composition of the final fermentation mixture in order to obtain a concentrated enzymatic cocktail with an activity of 160 FPU/mL. An economic analysis of the global process for increasing production capacities determined the feasibility to install a facility for cellulolytic enzymes production from sugarcane bagasse appended to a biorefinery located in northern Peru that processes 4 300 MT sugarcane per day.