Anteproyecto: Obtención de Biobutanol Por Fermentación Acetobutillica De Hueso De Elote

Introducción

Los combustibles fósiles están perdiendo competitividad en el mercado, debido a que con el paso de los años la extracción de crudo está aumentando de precio, haciendo que a su vez, la gasolina y el resto de sus derivados incrementen sus precios; por lo tanto, estamos obligados a buscar una fuente de combustible alternativo. Hasta el momento, el bioetanol y el biodiesel, habían sido los descubrimientos principales y prometedores, ya que son una fuente combustible verde, sin embargo, el etanol, para los requerimientos de grandes empresas como combustible sustentable y competente, dejaba mucho que desear.

En la búsqueda de nuevas formas de energía, se han realizado investigación con sustratos de origen vegetal así como con residuos agroindustriales los cuales pueden ser aprovechados para su transformación por medio de rutas bioquímicas y obtener biocombustibles a partir de sistemas sustentables.

Para analizar el proceso de obtención de biocombustible como lo es el biobutanol, se necesita llevar a cabo cinéticas fermentativas para conocer el aumento del producto y la disminución del reactante.

  Nuevas investigaciones arrojaron que el butanol era molecularmente más similar a la gasolina, pudiéndose mezclar con esta, hasta en un 95%, a diferencia del 75% con lo cual se mezcla el etanol.

  Una forma de obtención de este alcohol, es mediante la fermentación ABE con ayuda del Clostridium beijerinckii, que se trata de un microorganismo no patógeno que fermenta glucosa, lignocelulosa y otros materiales, de manera anaerobia (sin oxígeno) produciendo Acetona (6.6 g/L), Butanol (10.1 g/L)  y Etanol (1.7 g/L). Es el microorganismo más conveniente debido a que presenta poca mutación genética, se trata de un microorganismo de fácil mantenimiento y tiene una gran capacidad de adaptación a procesos químicos continuos.

Marco teórico

Los combustibles fósiles, como carbón, petróleo y gas natural, fueron, en ese orden, las principales fuentes de energía de la civilización como la conocemos, su función, desde la Revolución Industrial fue potenciar el desarrollo económico y tecnológico de la sociedad. Se hicieron enormes descubrimientos, que requerían el uso de estos combustibles, acostumbrando a la sociedad a su empleo, aumentando la demanda, principalmente de la gasolina, un derivado del petróleo. Con ella, movemos automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc. El gas natural se volvió igualmente importante, su uso en las vidas de los seres humanos, es ahora, irreemplazable. El carbón, perdió competitividad, mas no con eso decrecieron sus yacimientos, aun se siguen explotando y se utilizando.

  La demanda mundial de combustibles fósiles está en auge, trayendo como consecuencia la búsqueda de nuevos yacimientos, de petróleo, primordialmente. Todo esto acarrea una serie de problemas, entre ellos el aumento en los costos de dichos combustibles, debido a que la explotación de los nuevos yacimientos requiere de una mayor inversión, en tecnología, y equipos.

  Otro problema de los actuales motores de la sociedad, es la contaminación. Las emanaciones de gases de efecto invernadero, como lo son el monóxido de carbono, los óxidos de azufre y nitrógeno, son la principal, quizá la única, fuente de contaminación atmosférica y trae consigo problemas graves al medio ambiente y atenta contra la salud de los habitantes de todo el mundo. La contaminación del suelo y el agua por desechos de aceites y residuos.

  Estos problemas han sido detectados actualmente por los gobiernos de todo el mundo, y se están buscando alternativas, amigables con el planeta, esperando con esto revertir los estragos causados en el planeta, o cuando menos reducir el impacto de los combustibles fósiles, disminuyendo su demanda y con el paso del tiempo, sustituirlos. Esas fuentes de combustibles alternativos son conocidas, como energías verdes o biocombustibles.

  Los biocombustibles, son combustibles líquidos o gaseosos provenientes de fuentes de biomasa –materia de origen orgánico-, y no de restos en estado fósil; mediante procesos de transformación, como la fermentación.

   Los más importantes y de mayor desarrollo son el bioetanol, el biodiesel, el biogás, y de manera emergente el biobutanol. Su producción mundial ha crecido exponencialmente en los últimos años y su desarrollo se ha visto favorecido por el aumento en el precio del petróleo.
  
 Biomasa.

   La biomasa podría definirse, en términos muy generales a cualquier materia vegetal que puede  ser usada como combustible, o ser transformada en otra forma antes de la combustión. El uso de biomasa es lo que le da a la producción biológica de combustibles el término de biocombustible.

La regla general es: 

Biomasa   +    Proceso biológico    =     Energético

Donde el energético puede ser producido en forma de gas o líquida.

   Así mismo, la biomasa está constituida por tres componentes, en su mayoría por cadenas de glucosa, a menos que se trate de biomasa a base de lignina, en este caso se estaría hablando de una composición a base de anillos fenólicos. Pero la división estadística de los componentes de la biomasa es la siguiente: Celulosa (glucosa) 44%, Hemicelulosa (xilosa) 30%, y Lignina (fenólicos) 26%. Existen diversos residuos agroindustriales, con composiciones diferentes, como lo muestra la Tabla 1 (Ortíz-López., 2008)

Tabla 1. Composición de diversos recursos lignocelulósicos (%). (Quintero-Ramírez., 1977. Jorgensen H. et. Al., 2007. Moiser. N., et al., 2005)

Fuente	Celulosa	Hemicelulosa	Lignina
Paja de cebada	40-44	28-30	20-22
Madera	44-50	20-26	17-30
Bagazo de caña	50	20	30
Olote de maíz	36	23	17
Paja de trigo	33	25	23
Paja de arroz	34	25	23
Rastrojo de maíz	36-37	22-23	16-17
Fibra de maíz	14.28	16.8	8.4
Madera de pino	46.4	8.8	29.4
Pasto	31	20-24	17-18
Papel de oficina	68.6	12.4	11.3

   La biomasa debe cumplir con ciertos requerimientos para poder ser utilizada durante procesos biotecnológicos, para la producción de cualquier energético o producto, estos requerimientos son:

-          Debe poder ser sometido a extracciones para recuperar algún componente que tenga demanda en el mercado.

-          Estar disponible localmente y en las cantidades necesarias para asegurar la producción del producto de interés.

-          Que no tenga otras aplicaciones/usos que compitan con el proceso a realizar.

-          Que no requiera pretratamiento, o en su defecto que sea uno sencillo y económico.

-          La disponibilidad del residuo debe permitir planificar el proceso para el cual se utilizara.

-          Debe ser estable, no debe descomponerse fácilmente bajo las condiciones ambientales del sitio donde se genera.

   Estos criterios para selección de residuos sirvieron como referencia para clasificarlos, como sigue:

-          Sustratos para la producción fermentativa de metabolitos de interés.

-          Sustratos para la generación de bionergéticos.

-          Mejoradores de suelo obtenidos de composta.

-          Suplemento alimenticio para animales.

   Los residuos que no son utilizados para bioprocesos, tienden a convertirse e en contaminantes de suelos y aguas subterráneas. (Saval., 2012)

   Cuando la biomasa requiere pretratamiento, antes de la hidrólisis encontramos que existen pretratamientos, físicos, químicos y biológicos. Los primeros se refieren a procesos donde se reduce el tamaño de las partículas, ya sea por molienda, temperatura, radiación, vapor, o secado, por ejemplo. Los siguientes son aquellos que requieren sustancias ácidas o álcalis para alterar la estructura de la celulosa. Finalmente, tenemos a los biológicos, que son llevados a cabo mediante un ataque microbiano a la estructura celulósica, se utilizan principalmente hongos. Sin embargo, cada uno tiene sus desventajas. Los físicos presentan una baja efectividad y son caros; los biológicos presentan una degradación poco eficiente de lignina y celulosa, así como largos periodos de procesamiento; en los químicos, los álcalis son utilizados en la transformación de la lignina, y los ácidos en la hidrólisis de hemicelulosa, son los usados más comúnmente, debido a que no presentan demasiadas desventajas, y son de bajo costo. Los efectos de los pretratamientos podrían derivar en metabolitos inhibidores de las cepas en la Tabla 2 se describen los efectos de los pretratamientos. (Ortiz-López., 2008)

Tabla 2. Efectos de algunos métodos de pretratamiento sobre la composición química y estructura fisicoquímica de biomasa lignocelulósica. (Moiser N., et Al., 2005)

	Aumento de la superficie accesible	Decristalización de celulosa	Eliminación de hemicelulosa	Eliminación de lignina	Alteración de la estructura de la lignina
Explosión de vapor no catalizado.	■		■		□
Agua caliente	■	N.D.	■		□
pH controlado con agua caliente	■	N.D.	■	□	N.D.
Ácido diluido	■	N.D.	■		□
Flujo ácido	■		■	□	■
AFEX	■	■	□	■	■
ARP	■	■	□	■	■
Cal	■	N.D.	□	■	■

□ Menor efecto     ■ Mayor efectoN.D. No definido

   La biomasa proveniente de los residuos agroindustriales es sumamente atractiva para la producción de enzimas de aplicación industrial, por ejemplo: hemicelulasas, xilasas y pectinasas.

Los ejemplos de producción de bioenergéticos a partir de residuos agroindustriales, van enfocados principalmente a la producción de bioetanol, biodiesel, otros biocombustibles como biobutanol y biogás. 

Bioetanol.

A grandes rasgos es un biocarburante líquido que, junto con el biodiesel, son los más aceptados en la actualidad.

  Específicamente, el bioetanol es alcohol carburante, que se produce de la fermentación de cultivos agrícolas que contengan azucares, almidones o celulosa. Algunas de sus principales ventajas son:      

•  Aumenta el índice de octanos, disminuyendo el consumo y reduciendo significativamente la contaminación (10 a 15% menos CO).
• Puede mezclarse con la gasolina sin plomo de un 10 a un 25% sin dificultad. 
•  Existen motores diseñados para funcionar al 100% con etanol.

   Con esto, se cree que el etanol podría sustituir al metil ter-butil éter (MTBE), el producto oxigenante con el que se reformulan las gasolinas en nuestro país, y que ha permitido reducir las emisiones de CO₂. Lo cual resultaría conveniente, debido a que, aunque el MTBE es un compuesto estable, de baja degradación y soluble en agua, se ha convertido en un contaminante de aguas subterráneas, y puede representar un riesgo para la salud, ya que está catalogado como potencialmente carcinógeno. (Vázquez, Dacosta., 2007)

   La opción principal (Figura 1) para producir etanol es por fermentación de sustancias ricas en carbohidratos (azúcar, almidón, celulosa, etc.), debido a este proceso es por lo que se le considera bioetanol. Entre las materias primas tenemos frutas y vegetales, tales como, caña de azúcar, remolacha, cereales como trigo, maíz y sorbo, tubérculos como papas y yuca, y en general, materias provenientes de residuos orgánicos. _[4]

Figura 1. Esquema de obtención de bioetanol según las tres vías actuales

  La forma de obtención del bioetanol es por fermentación alcohólica, que es una bioreación que permite degradar azucares en alcohol y dióxido de carbono.

  Para la fermentación alcohólica mediante microorganismos, se tienen en cuenta varios factores:

• Tolerancia al etanol.
• Tolerancia a altas temperaturas.
• Tolerancia a altas concentraciones de azúcar.
• Rendimiento alcohólico
• Eficiencia en la fermentación y productividad.

   Se han estudiado diferentes microorganismos, levaduras, principalmente; pero por sus características las principales responsables de dicha transformación son las levaduras, la Saccharomyces cerevisiae, es la más utilizada. La S. cerevisiae es un hongo unicelular utilizado industrialmente en la fabricación de pan, cerveza y vino, mediante la fermentación produce una cantidad importante de dióxido de carbono y etanol, en presencia de un medio rico en azucares.  Su uso se debe a sus ventajas: la facilidad de cultivo, y la velocidad de la división celular.

  A nivel estequiométrico la fermentación parece ser una transformación simple, ya que solo se degrada la glucosa en un dos moléculas de alcohol y dos de dióxido de carbono:

C₆H₁₂O_{6     -------->}      2C₂H₅OH + 2CO₂ …… ec (1)

   Sin embargo, es un proceso complejo, puesto que al mismo tiempo la levadura necesita glucosa y otros nutrientes para reproducirse. Para evaluar la  transformación se usa el rendimiento biomasa/producto y el rendimiento producto/substrato. El primero es la cantidad de levadura producida por cantidad de substrato consumido; y el segundo, la cantidad de producto sintetizado por cantidad de substrato consumido._[4]

  El rendimiento teórico estequiométrico para la transformación de glucosa en etanol es de 0.511 g de etanol y 0.489 g de CO₂ por 1 g de glucosa, según cálculos de Gay-Lussac. Sin embargo, industrialmente se habla de un rendimiento experimental que oscila entre el 87% y el 93%. (Boudarel., 1984; Vázquez., Dacosta., 2007)

  Otro parámetro a considerar es la productividad (g/h/l), que se define como la cantidad de etanol producido por unidad de tiempo y de volumen.

  Estos parámetros se definen con relación a la fase y al modo de funcionamiento del fermentador (Figura 2). Un bioreactor es un recipiente cilíndrico de doble pared, elaborado, ya sea de vidrio o de acero inoxidable (control de temperatura y esterilización en línea), cubierto de una platina de acero inoxidable, la cual está dotada de entradas y salidas que permiten agregar substratos, nutrientes y substancias como ácidos grasos o bases, y extraer productos, o hacer mediciones. Está platina permite acoplar un sistema de agitación para mantener la homogeneidad y facilitar, en caso de ser necesario, la transferencia de oxígeno y nutrientes. Es el elemento central para la fermentación alcohólica. _[5]

  La elección del biorreactor que mejor se adapte a los requerimientos, dependerá de los recursos económicos disponibles, y del interés en desarrollar tecnología propia. 

Figura 2. Diagrama de funcionamiento de un bioreactor automatizado

   El bioetanol se produce mediante procesos discontinuos, entre los principales están: 

• Sistema Jackemine: Donde no hay recirculación celular, los tiempos de fermentación son largos y de baja productividad. 
• Sistema Melle-Boinot: Donde si hay recirculación celular, se limita el crecimiento y se maximiza la producción de alcohol, al tiempo que se disminuyen sensiblemente los tiempos de fermentación debido a la alta densidad celular en el fermentador, Su productividad es entre 20-25 veces mayor a la del sistema Jackemine.

Por otro lado se ha buscado tener un proceso continuo en la producción de bioetanol, sin embargo, en estos procesos deben garantizar que los reactivos  estén en contacto suficiente tiempo para que la reacción ocurra como se desea. En dichos procesos se requiere de un bioreactor de mezcla completa. La ventajas de la fermentación continua son mayores rendimientos, mejor productividad, y la automatización es sencilla; su principal desventaja son los riesgos de contaminación, por lo que se requiere mayor esterilidad, cosa que incrementa los costos.

  Ahora bien, el etanol es un buen carburante, sin embargo tiene algunos factores en contra, ya que su materia prima es, principalmente, azúcar o caña de azúcar, que tiene gran demanda en la refinerías para producir azúcar blanca o refinada de uso comercial. Esto lo convierte en un amplio tema de debate, que trata, principalmente, de definir qué tan viable es destinar la caña de azúcar para los procesos de fermentación requeridos para la elaboración de etanol. (Hernández-Nodarse., 2008).

Biodiesel.

   El biodiesel es un combustible renovable, que se obtiene principalmente a partir de aceites vegetales animales, o aceites reciclados. Su principal ventaja ecológica, deriva en que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero.(Vargas-González., 2007)

  Históricamente, la demanda y producción de biodiesel, va a la alza, por ejemplo, en el lapso 1993-2003 se aumentó un 28.5% anual, la producción de este combustible.

  Física y visualmente, es un líquido que va desde el color amarillo claro, hasta uno oscuro, inmiscible con el agua; cuya viscosidad es similar a la del diesel obtenido a partir de petróleo, con el cual puede mezclarse para reducir las emisiones contaminantes de los vehículos con motores que funcionan a partir de este combustible. Entre las mezclas más comunes están:

·         -B2.- 20% biodiesel y 80% diesel de origen fósil.

·         -B5.- 5% biodiesel y 95% diesel fósil.

   Sin embargo, se puede emplear un 100% de biodiesel, haciendo ciertas modificaciones al motor, que eviten problemas de mantenimiento y desempeño. (Vargas-González., 2007)

  En México hay muy poca experiencia en cuanto al uso de este combustible, la más destacada es la planta de biodiesel de Grupos Energéticos de Cadereyta, Nuevo León, donde se producen cerca de 300 m³ al mes, a partir de los aceites y grasas recicladas de la cafetería del Instituto Tecnológico de Monterrey. Con dicha producción se abastece una de una mezcla de B20 a un autobús de transporte de personal y dos vehículos compactos propiedad de ITM.

  En contraste, en los Estados Unidos, la producción de biodiesel en el 2004 fue de 570 millones de litros. En 1999 sólo algunas flotas utilizaban biodiesel, sin embargo, para septiembre del 2001, el número aumento a más del 100%. En este país su principal aplicación es en las flotas vehiculares del ejército y las agencias gubernamentales.

  En Minnesota (2005) se promovió un mandato para que el diesel utilizado en el autotransporte tuviera un 2% de biodiesel.

  El biodiesel se obtiene mediante un proceso de transesterificación, es decir, al intercambiar el grupo alcoxi de un éster, por un alcohol, dichas reacciones comúnmente son catalizadas mediante la adición de un ácido o una base (Figura 3).

  En términos muy generales, la transesterificación consiste en combinar, el aceite (vegetal, normalmente) con un alcohol ligero (metanol), que deja un residuo glicerina (que puede aprovecharse en la industria cosmética)

Éster + alcohol = éster diferente + alcohol diferente.

Figura 3. Proceso de obtención de biodiesel

   Como materia prima en la producción de biodiesel se emplean grasas, cultivos oleaginosos, así como grasa reciclada de restaurantes.(Vargas-González., 2007)

  Para obtener la calidad del aceite, se tienen en cuenta varios aspectos, entre los cuales están: 

• Índice de acidez.- Mide el contenido de ácidos grasos libres, y se determina mediante titulación del aceite con hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH). Y suele expresarse en mg de KOH por g de aceite, o cómo % de ácidos grasos libres. La importancia de esto radica en que la reacción ácido graso más un hidróxido (KOH/ NaOH) produce un jabón, e interfiere con la producción. También que los aceites con alto IA tienen bajo rendimiento. El ideal es que el IA ˂ 5 mg KOH/ g aceite (2.5%). 
• Índice de yodo.-Mide el contenido de dobles enlaces en la cadena de carbono. La importancia radica en que a mayor IV tendrá un punto de congelamiento, lo que permitirá su uso en lugares de clima frío. Pero también se vuelve menos estable a la oxidación, y al someterse a altas temperaturas, se degrada más rápidamente, creando depósitos solidos que podrían afectar el motor. 
• Índice de peróxido.- esto indica el grado de oxidación del aceite, y depende de las condiciones de almacenamiento del mismo. El biodiesel debe ser guardado en recipientes llenos, sin espacios de aire, baja exposición a la luz y bajo temperaturas normales, o bajas, en su defecto. 

• Contenido de  humedad e impurezas.- el agua favorece la formación de jabones, que son perjudiciales porque contaminan el producto final, por ello se debe asegurar la menor cantidad de agua posible durante el proceso. (Castro-Pereja., 2004).

Biogás

Es un bioenergético que se obtiene a partir de desechos orgánicos. Es una forma de energía limpia y renovable.

   Se obtiene a partir de la digestión anaeróbica de materiales orgánicos, es una mezcla de dióxido de carbono y metano, es usado como combustible porque presenta un valor calorífico de 23 MJ/kg y posee un potencial de calentamiento 25 veces mayor al del CO₂.

Puede sustituir a los combustibles fósiles, pues con él se puede cocinar, calentar y generar electricidad. Al igual que con el gas natural, el biogás permite generar electricidad a partir de motores de combustión interna, conectados a un generador.

  Su potencial energético radica en que con un metro cúbico de biogás se puede:·        

1.  Generar 6 horas de luz (equivalente a un foco de 60 W).
2.  Hacer funcionar un refrigerador de 1 m³ durante una hora
3. Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas

   Para su generación se requiere de biodigestores, que son contenedores cerrados, herméticos e impermeables, se coloca la materia orgánica que permitirá generar biogás. Son construidos con distintos materiales, como acrílico reforzado con fibra de vidrio, hule o polietileno). Sus componentes son un reactor de las materias primas por digerir, el contenedor de gas (con accesorios de salida), la entrada de materias orgánicas y la salida de materias orgánicas estabilizadas. Existen diferentes tipos, entre ellos, los sistemas de flujo discontinuo, semicontinuo y continuo.

Los biodigestores familiares son de bajo costo, y son una alternativa energética eficiente y se utilizan para cocinar o generar electricidad.

  Algunas de sus principales ventajas de estos sistemas son su bajo impacto ambiental, no requieren emplear personal altamente calificado y, además, se obtienen fertilizantes orgánicos que se reincorporan a la tierra.

  Los países pioneros en introducir esta tecnología son Alemania, china e India; en Latinoamérica, Brasil, Argentina, Uruguay y Bolivia demostraron avances significativos en su inclusión. _[2]
  
Biobutanol

El butanol es un alcohol primario, cuya fórmula es C₄H₁₀O; es un líquido incoloro, flamable, con un olor característico, y cuyo vapor irrita la mucosa produciendo un efecto narcótico en altas  concentraciones. Es miscible es solventes orgánicos comunes, y parcialmente miscible con agua. Considerado un biocarburante de 2^a Generación, es decir, un carburante proveniente de la fermentación de materias primas de origen lignocelulósico.

  Hoy en día, es considerado una mejor alternativa que el etanol, como biocombustible, ya que es menos corrosivo y menos soluble con agua, siendo más adecuado para las máquinas de combustión interna, utilizadas actualmente en los automóviles.(Rajchenberg., et Al., 2012; Lee et Al., 2008).

El interés en este carburante se debe principalmente a la necesidad de  disminuir la dependencia al petróleo, por razones ambientales y económicas, que se basan principalmente en la reducción de gases contaminantes a la atmosfera y, a la búsqueda de la disminución del uso de aceite y gas natural; otra razón es que el etanol tiene un rendimiento energético bajo, una alta presión de vapor, la higroscopia, por lo que no puede ser transportado en tuberías, y los actuales contenedores petroquímicos tienden a atrapar agua, lo cual contamina el etanol; además del elevado costo de su destilación. La contaminación de etanol con agua ocasiona problemas con las mezclas gasolina-etanol, ya que presentan separación de fases. (Steen et Al., 2008; Rajchenberg., et Al., 2012)

  En contraparte, el butanol tiene un contenido energético más similar a la gasolina (Tabla 3) y su presión de vapor es 11 veces menor que la del etanol. El butanol es menos higroscópico y más compatible con la gasolina, lo que hace posible que sea adicionado a las gasolinas desde la refinería. (Atsumi et Al., 2008; Rajchenberg., et Al., 2012)

La capacidad higroscópica de un combustible es muy importante, ya la poca o mucha capacidad de absorción de agua que tenga, permitirá definir si puede ser adicionado a largo o corto plazo a la mezcla de gasolina.(Rajchenberg., et Al., 2012)

Tabla 3. Comparación de propiedades relevantes del butanol y etanol como carburantes. (Lee et Al., 2008).

	Butanol	Gasolina	Etanol
Densidad de energía (MJ/L)	29.2	32	19.6
Proporción aire-combustible	11.2	14.6	9
Calor de vaporización (MJ/Kg)	0.43	0.36	0.92
N° octanos en investigación	96	91-96	129
N° octanos en motor	78	81-89	102

La Tabla 3 es un resumen comparativo de propiedades y nos indica que los motores de gasolina podrían trabajar con butanol sin requerir una modificación previa, contrario al etanol. Esto prueba que el butanol tiene una mayor ventaja técnica y económica como biocombustible. Aunque sus números de octano de investigación y en motor, es menor al del etanol, su valor es similar al de la gasolina; lo cual no representa ninguna desventaja. (Rajchenberg., et Al., 2012)

  En 2001 la demanda mundial de biobutanol era de 3 millones de toneladas, donde más era requerido era en el norte de Asia, seguido por norte América, se creía que en 2020 llegaría a 4 millones.

  Históricamente, el 1-butanol apareció durante los experimentos de Louise Pasteur con la fermentación ABE (Acetona, Butanol y Etanol), en 1861. Pero la patente fue hecha por Chaim Weizmann, que presento una idea clara del proceso de fermentación butílica. Posteriormente (1950), empezó a producirse butanol y etanol a escala industrial, en algunos países primermundistas, como EEUU, Japón, Rusia y Sudáfrica, aunque sólo el 66% de la producción de este, provenía de procesos fermentativos. Un hecho que marco la producción a nivel industrial del biobutanol, fue a través de procesos microbiológicos, que tuvieron lugar al aislar al Clostridium acetobutylicum, que fermentaba papa. Durante la Primera Guerra Mundial se usaba butanol para producir acetato de butilo (caucho sintético), con el uso de amiláceas y melazas, como materias primas. Pero con el paso del tiempo, la industria petroquímica inicio su auge, apoderándose del mercado del butanol, produciéndolo mediante la reacción oxo del propileno, con butiraldehído como intermediario. Sin embargo, con el paso del tiempo empezó a perder competitividad, a causa del aumento del costo en las materias primas, y a la eficiencia de los procesos petroquímicos. (Lareo., 2012)

  La producción biológica de butanol ocurre naturalmente en algunos microorganismos como Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium butyricum; o la arquea Hyperthermus butylicus. Y es obtenido a partir de la fermentación de azucares con microorganismos del genero Clostridium, entre los que se encuentran, principalmente, el C. acetobutylicum y C. beijerinckii; sus principales productos de interés son acetona, butanol y etanol (Fermentación ABE).

   La fermentación que realizan se llama Fermentación ABE (Figura 4), por los productos que arroja (acetona, butanol y etanol), el proceso se divide en dos fases: 
Acidogénesis.- en este proceso se lleva a cabo el  metabolismo de azucares, generación de masa celular, produciendo compuestos de naturaleza ácida (ac. Acético y ac. Butílico). Hay descenso de pH en el medio, hasta alcanzar el estado estacionario.
Solventogénesis.- Se tiene una reasimilación de los ácidos producidos en la Acidogénesis, aumenta el pH, y se forma butanol. Existen varios factores determinantes en el desarrollo de esta fase, como esporulación, pH externo, concentración de ácidos, nivel de los nutrientes, temperatura y concentración de oxígeno.

  Sin embargo, como en cualquier proceso biológico, a nivel industrial existen limitaciones:

•  El propio butanol generado es tóxico para las bacterias.
• La reacción de fermentación tiene bajos rendimientos de conversión.
•  La utilización de azucares como materia prima supone un alto coste de producción.

Figura 4. Proceso de obtención de butanol_[1]

Regularmente se emplean procesos discontinuos donde se colocan todos los reactivos en un reactor bajo ciertas condiciones, hasta que se agotan y se obtienen los productos. Los reactores en continuo son fáciles de operar y reducen los riesgos de contaminación al medio, pero son conocidos por su baja efectividad.

  Hay dos posibles soluciones para incrementar la productividad del proceso en la producción de butanol, y son: 
Inmovilización de microorganismos. Es el establecimientode una interacción entre los microorganismos productores de butanol y un soporte (natural o sintético). Sus ventajas son que facilita la separación de productos, eleva la densidad celular y mejora la transferencia de materia. Y sus desventajas son la necesidad de procesos previos a la hidrolisis, perdida de actividad celular (a causa de la inmovilización) y la acumulación de burbujas de gas. 
Desarrollos de procesos en separación del producto in situ. Permite la extracción del butanol a medida que es producido en el medio, así se aumenta la productividad del proceso y se evitan fenómenos de inhibición (toxicidad por el butanol) en los microorganismos que lo producen. Algunas técnicas de separación utilizadas para la extracción del butanol son la destilación, el arrastre de gas, la extracción líquido-líquido y la pervaporación.

La destilación, al igual que en la recuperación de etanol, es bastante costosa, debido a la baja concentración de producto en medio, y tiene un elevado consumo de energía porque el butanol tiene un punto de ebullición más alto que el agua.

   El arrastre de gas (Figura 5) es la técnica más sencilla y permite recuperar cualquier solvente del medio de fermentación y no requiere grandes inversiones en equipos; consiste en burbujear gas (lo gases producidos en la fermentación: CO₂ e H₂) dentro del medio de fermentación. A su paso el gas captura lo solventes (butanol, acetona, etanol) y son arrastrados a la salida, donde son condensados. El gas se recircula al fermentador para continuar con la captura de productos; esto no elimina los nutrientes del medio, ni produce daños en el cultivo. La principal ventaja es la reducción del problema de inhibición por elevadas concentraciones de azúcares. 

Figura 5 Esquema de un sistema de biorreactor._[1]

  La extracción líquido-líquido se utiliza para concentrar un analito o separarlo de una matriz compleja o con interferentes. Este proceso, también conocido como lixiviación líquido-líquido, separa dos sustancias miscibles o polares entre sí, por medio de una tercera, como por ejemplo tetracloruro de carbono._[3]

Por otra parte, la pervaporación es un proceso que se realiza por medio de membranas selectivas, para separar líquidos. Funciona mediante osmosis inversa, se produce un paso del solvente de mayor concentración hacia una de menor concentración. Sus ventajas son que requiere un consumo de calor latente mucho menor al del que se requiere en la destilación y que no está limitada termodinámicamente; pero, generalmente, se utiliza en la deshidratación de compuestos orgánicos. _[3]

   Sin embargo, actualmente existen pocas industrias que puedan producir butanol a escala industrial, por lo que es más viable, económicamente, producirlo a nivel laboratorio. Esto se debe principalmente a los procesos de purificación que requiere, puesto que los solventes (acetona, butanol y etanol) tienen puntos de ebullición diferentes, por lo que se requiere de al menos 3 destilaciones. A nivel industrial se trata, además de purificar los gases producidos durante la fermentación, que serían hidrogeno y dióxido de carbono, ya que al igual que los solventes, son productos de valor monetario.

  Una de las pocas investigaciones a nivel industrial se realizó en el Instituto Francés del petróleo, como parte del programa para Sustitución de Combustibles, en un procesos que implicaba un pretratamiento por explosión de calor del residuo lignocelulósico de mazorcas y olotes de maíz, así como la hidrolisis enzimática con celulasas y la fermentación del hidrolizado con una cepa de C. acetobutylicum<sub>. [1]

Clostridios</sub>
 Entre los bacilos anaerobios esporulados tenemos a los clostridios, que son bacilos grampositivos, que forman esporas; pueden descomponer proteínas y/o formar toxinas. Su hábitat natural es el suelo, donde viven en zonas anóxicas, o el intestino de algunos animales, donde también se encuentran con un ambiente anóxico; la mayoría de las especies son organismos saprofitos del suelo. Carecen de sistemas citocrómicos y de mecanismos de fosforilación por transporte de electrones, es decir, únicamente obtienen energía de  la fosforilación de sustrato, por tanto, son fermentadores. Existen diversos clostridios con mecanismos productores de ácido butírico a partir de la fermentación de azucares; la diversidad y separación en géneros y subgéneros, se basa precisamente en sus propiedades y la naturaleza del sustrato fermentable. 

Morfología e identificación.

1. Organismos típicos: Todas las especies de clostridios son bacilos grampositivos grandes, y todos producir esporas, que son generalmente mayores que el diámetro de los bacilos que las forman.
2. Cultivo Crecen solamente en condiciones de anaerobiosis, que pueden lograrse mediante los siguientes métodos: a) Colocando placas de agar o tubos de cultivo en un recipiente hermético. Del que se extrae el aire, reemplazándolo por nitrógeno  con 10% de CO₂. b)Medios líquidos en tubos llenos hasta cierta altura, conteniendo tejidos animales (carne picada) o 0.1% de agar y un agente reductor, por ejemplo tioglicolato. Pueden manejarse como cultivos aerobios, pero el crecimiento se presentara desde el fondo y hasta 15mm por debajo de la superficie expuesta al aire.
3. Forma de la colonia: Algunos producen colonias grandes, elevadas y con bordes externos. En la mayoría se produce una zona de hemolisis en gelosa sangre.
4. Características del crecimiento: La principal es su incapacidad para utilizar oxigeno como aceptor final de hidrogeno; carecen de citocromo y de citocromo-oxidasa, y son incapaces de  demoler el peróxido de hidrogeno. Los  clostridios pueden fermentar una gran variedad de azucares.
5. Características antigénicas: Los clostridios comparten antígenos pero, parecen poseer antígenos específicos solubles que permiten su agrupación usando pruebas de precipitación.  (Jawetz., et Al., 1977).

   Los pasos y la bioquímica implicados en la génesis de ácido butírico y butanol, son bien conocidas. Primero la glucosa se convierte en butirato por medio de Embden-Meyerhof, posteriormente el Piruvato es roto en acetil-CoA e hidrogeno mediante una reacción fosforoclástica, el acetil coA es reducido a productos de fermentación con la ayuda de NADH derivado de la ruta glucolítica. El ácido acético y butírico están presentes en los estadios primarios de la fermentación, a medida que el pH desciende, la síntesis de ácidos se detiene y comienza la producción de acetona y butanol (neutros), sin embargo, si el pH se mantiene neutral con ayuda de CaCO₃, se disminuye notablemente la producción de neutros, que quedan constituidos entonces por tres cuartas partes de butanol y una de acetona.

  Existe otro grupo de clostridios mediante la fermentación de parejas de aminoácidos, en lo que se conoce como reacción de Stickland, donde básicamente un aminoácido es donador de electrones y es oxidado mientras el otro acepta electrones y es reducido. Sus productos siempre son NH₃, CO₂ y acido carboxílico con un átomo de carbono menos.

  Los aminoácidos fermentables son: alanina, cisteína, glutamato, serina, glicina, histidina o treonina, produciendo, generalmente, acetato, butirato, CO₂ y H₂. (Brock., 2003)

   Entre los microorganismos productores de butanol tenemos:

·       C. acetobutylicum.- Usada por primera vez en 1916 para la producción de acetona, butanol y etanol a partir de almidón (Weizmann), resultando en 3 partes de acetona, 6 de butanol y 1 de etanol. Junto a otros Clostridium puede digerir suero de leche, azúcar, almidón, celulosa y lignina. Es capaz de utilizar la xilosa y tiene una baja sensibilidad a los compuestos inhibidores de la fermentación que se producen durante el pretratamiento._[3]

·      C. butyricum.- Es una endoespora, que puede encontrarse en el suelo, heces, leche agria y queso. Es un Gram positivo, que fermenta en presencia de amilopectinas._[3]

·    C. butylicum.- Es fenotípicamente muy similar al C. beijerinckii, a continuación mencionado, sin embargo, este microorganismo fue empleado para la fermentación de solventes desde 1950, utilizando, principalmente, almidones provenientes de puré de papa. Una de las diferencias con el C. beijerinckii, radica en ello, puesto que la antes mencionada es incapaz de fermentar almidones –aunque se han encontrado cepas que pueden hacerlo-, mientras que la C. butylicum no puede fermentar purés de maíz._[3]

·         C.beijerinckii.- Es el de mayor potencial para la producción de butanol a nivel industrial, debido a su capacidad para fermentar un mayor número de azucares, y a que su rango de pH es mayor (óptimo) para las fases de crecimiento y producción de solventes. Su desventaja es que el uso de azúcar representa un alto coste; sin embargo, puede cambiarse por materias residuales y biomasa de origen lignocelulósico. Puede producir butanol, acetona y/o isopropanol en condiciones anaerobias a 37°C; la flexibilidad de este microorganismo le permite aceptar gran cantidad de materias primas, que pueden ir desde residuos agrícolas, como paja de trigo o maíz, hasta residuos forestales, de madera, licores (industria del papel), residuos de la industria algodonera, bagazo de caña de azúcar y fibra de maíz. Sin embargo, se requiere de un tratamiento especial para obtener azucares fermentables.  Sus principales ventajas radican en, su bajo costo de mantenimiento, la estabilidad degenerativa y su buena capacidad de adaptación a procesos continuos. _[3]

 A continuación tenemos una tabla que contiene la producción de diversos solventes:

Tabla 4. Producción de solventes con anaerobios seleccionados en un medio de peptona con extracto de glucosa (fragmento). (George., et Al., 1982).

Especie	Cepa		Producción de solventes  (mM)
	VPI no.	Otra no.	Acetona	Isopropanol	n-Butanol
C. beijerinckii	5481(tipo)	ATCC 25752	6.0	-	67.9
	4635	-	10.2	-	69.6
	2697	-	8.7	-	55.2
	4419	ATCC 11914	2.3	-	17.0
	2408	-	-	-	4.4
	4213	ATCC 14949	-	-	-
	2983	-	-	-	-
	2968	-	-	9.8	44.8
	2982	-	-	1.6	41.3
C. butylicum	2776	-	-	-	-
	2844	ATCC 14823	-	-	-
	13436	NRRL B-592	19.0	-	60.4
	13437	NRRL B-593	-	8.0	61.7
C. acetobutylicum	2673	McClung 633	22.3	-	41.3
	13697	ATCC 4259	6.2	-	19.5
	13698	NRRL B-527	6.8	-	17.1
		(←ATCC 824)
	13693	ATCC 8529	1.7	-	4.5
	2676	McClung 635	1.1	-	3.3
	13696(T)	ATCC 824	-	-	2.4
	13692	ATCC 10132	-	-	-

Referencias bibliográficas

1.      Atsumi S, Hanai T &Liao JC (2008b) Nonfermentative pathways for the synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels. Nature 451: 86-89.

2.      Boudarel M.J.(1984). Contri bution á l´étude de la FermentationAlcooliqueá partir de jus de Betteravesavec. Saccharomyces cerevisiae.Thèse de Doctorat. Universitéde Dijo n, Francia.

3.      Castro-Pereja P., 2004. Producción de biodiesel a pequeña escala. Intermediate T echnologyDevelopmentGroup.

4.      Hernández-Nodarse M.T., 2008. Tendencias actuales en la producción de bioetanol. Facultad de Ingeniería. Universidad Rafael Landívar. Boletín electrónico No. 08

5.      Lareo C., 2012, Biobutanol: actualidad y perspectivas biotecnológicas, Facultad de Ingeniería de la Universidad de la Republica Montevideo Uruguay.

6.      López L.A., 2008, Avances de bioenergía, Universidad Autónoma Metropolitana.

7.      Jawetz E. L.-Melnick J., A.-Adalberg E., 1977. Manual de microbiología médica. 7ª edición. Editorial El manual moderno. México, DF.

8.      Moiser N., et al., 2005. BioresourTechnol. 96: 673-686

9.      Quintero R., 2008, El papel de la Bioenergía en México, Universidad Iberoamericana.

10.  Rajchenberg E., Rodríguez J.A., Juárez K., Martínez A., Morales S., 2009, Producción microbiológica de biobutanol, Instituto Biotecnología UNAM.

11.  Saval S., 2012,Aprovechamiento de residuos agroindustriales: pasado, presente y futuro, vol. 16, Instituto de Ingeniería UNAM.

12.  Steen EJ, Chan R, Prasad N, Myers S,Petzold CJ, Redding A, Ouellet M &KeaslingJD (2008) Metabolic engineering of S. cerevisiae for the production of nbutanol. Microbial cell Factories. 7-36: 1-8.

13.  T. Madigan M., M. Martinko J., Parker J., 2003. Brock. Biología de los microorganismos. 405-407: 585-587.

14.  U.S. Department of Energy, 2005, 2006. Quintero-Ramírez R.,1977. Jorgensen H. et. Al., 2007. Moiser N., et al., 2005.

15.  Vargas M., 2007, Biodiesel, Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, Dirección de ahorro de energía en el Transporte.

16.  Vázquez H.J., Dacosta O., 2007. Fermentación alcohólica: Una opción para la producción de energía renovable a partir de desechos agrícolas. Dpto. de Sistemas, Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, México. Oficina de Consejo, Desarrollo y Transferencia Tecnologica, Dijon,Francia.

[1]Disponible en línea: http://investigadoraenapuros.wordpress.com. Consulta: 29 diciembre 2013.

[2]Disponible en línea en http://www.ojocientifico.com. Consulta: 10 enero 2014. 
[3]  Disponible en línea en http://www.wikipedia.com. Consulta: 10-25 enero 2014.

[4] Disponible en línea en http://www.grupogaia.com. Consulta: 10 febrero 2014.

[5] Disponible en línea en http://running_on_alcohol.tripod.com. Consulta: 11 marzo 2014.