Título
Producción de etanol a partir de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos
Autor
RAZIEL JESUS ESTRADA MARTINEZ
Colaborador
NICOLAS OSCAR SOTO CRUZ (Asesor de tesis)
JESUS GERARDO SAUCEDO CASTAÑEDA (Asesor de tesis)
ERNESTO FAVELA TORRES (Asesor de tesis)
Nivel de Acceso
Acceso Abierto
Materias
Resumen o descripción
El desarrollo económico y la industrialización en México produjeron un aumento en el consumo de materias primas, que han impactado significativamente en el volumen y la composición de los residuos generados. En México, se generan más de 53 millones de toneladas de residuos sólidos urbanos (RSU) al año, de los cuales, se calcula que el 52 % corresponde a materia orgánica. La Secretaría de Desarrollo y Medio Ambiente (SEDEMA) indica que, en el 2017, se generaron 12 998 toneladas por día de RSU en la Ciudad de México, donde el 41 % fue generado en las Alcaldías Iztapalapa (2 245 Ton/día), Gustavo A. Madero (1 735 Ton/día) y Cuauhtémoc (1 316 Ton/día). La disposición convencional en rellenos sanitarios y tiraderos a cielo abierto es un método común en México para la eliminación de los RSU. Actualmente, los métodos alternativos de tratamiento como el compostaje y la digestión anaerobia se han utilizado para tratar algunos de estos residuos. Sin embargo, debido a la gran cantidad de estos residuos, se está en la búsqueda de nuevos procesos para su aprovechamiento. La fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) resulta ser una materia prima atractiva para su fermentación directa a etanol por cultivo en medio sólido (CMS). Para la producción de etanol se utilizó una mezcla sólida estándar de la FORSU que representa la composición anual de los residuos frescos de frutas y verduras generados en la Central de Abastos, de la Ciudad de México. Este tipo de residuos permite la producción de etanol con un pretratamiento térmico suave, en lugar de pretratamientos termoquímicos agresivos o enzimáticos. En el presente trabajo se desarrollaron metodologías para la producción de biomasa de levaduras para su uso en CMS. También, se optimizó el pretratamiento de la materia prima a partir de un diseño factorial central compuesto (DFCC) y, por último, se desarrollaron estrategias de CMS a escala laboratorio y piloto para la obtención de etanol.
El FS es un criterio práctico para comparar el pretratamiento térmico de la mezcla sólida estándar de la FORSU. Por último, en la tercera etapa experimental se realizó la producción de etanol a partir de la FORSU por CMS y se evaluó el uso de cultivos axénicos o mixtos a escala laboratorio y piloto. A escala laboratorio se utilizaron biorreactores tubulares para evaluar el pretratamiento térmico de la FORSU con dos factores de severidad de 2.11 y 2.35 en la producción de etanol por CMS. Se alcanzó una producción máxima de 282.61±13.09 L de etanol por tonelada de materia seca (MS) con un factor de severidad de 2.35 y utilizando un inóculo compuesto por un cultivo mixto (CM) compuesto de tres levaduras (Saccharomyces cerevisiae ITD00196, Scheffersomyces stipitis ATCC58785, y Schwanniomyces occidentalis ATCC26077). A escala piloto se utilizaron dos tipos de biorreactores agitados: con listones helicoidales y con tornillo sin fin, para evaluar el pretratamiento térmico de la mezcla sólida estándar de la FORSU con un factor de severidad de 2.35 en el primer tipo de bioreactor y sin pretratamiento térmico en el biorreactor con tornillo sin fín. Con el biorreactor con listones helicoidales se alcanzó una producción máxima de 245.72±17.76 L de etanol por tonelada de MS, utilizando un cultivo mixto de levaduras. Utilizando el biorreactor de tornillo sin fin se alcanzó una producción máxima de 209.16±12.55 L de etanol por tonelada de MS, utilizando la levadura Saccharomyces cerevisiae ITD00196.
Los resultados demostraron que el proceso se simula con éxito utilizando una cinética de decaimiento de primer orden para el consumo de carbohidratos fermentables y el modelo de Gompertz para la producción de etanol; estos modelos son útiles para describir el alcance de la bioreacción. El monitoreo en línea de los gases (CO2) se propuso como una herramienta útil para el control de bioprocesos de producción de etanol a partir de la mezcla sólida estándar de la FORSU. Con los resultados obtenidos se demuestra que la mezcla sólida estándar de la FORSU, pretratada térmicamente, tiene un alto potencial para su uso en la producción de etanol utilizando un cultivo mixto a escala laboratorio y piloto en condiciones de cultivo en medio sólido, sin pretratamientos termoquímico ni enzimático.
En la primera etapa experimental se evaluó la capacidad fermentativa de diferentes levaduras por cultivos en matraces Erlenmeyer con diferentes diseños y volúmenes de llenado para la producción de biomasa. Se encontró que un volumen de llenado del 20 % conduce a un mejor crecimiento microbiano y permite una mejor producción de inóculo independiente del diseño del matraz. El efecto Crabtree fue evaluado cuantitativamente a través de la productividad del etanol en condiciones aerobias y el crecimiento microbiano por el consumo del producto. Las levaduras con efecto Crabtree positivo tienen un alto potencial para la rápida producción de etanol durante la fermentación directa de la FORSU. En la segunda etapa experimental se optimizó la liberación de carbohidratos y la disminución de la concentración de inhibidores como el ácido acético y el hidroximetilfurfural (HMF); para ello, se planteó un DFCC en términos de presión-temperatura y tiempo de residencia, utilizando tres niveles de adición de ácido sulfúrico (H2SO4; 0, 1 y 2 % p/p) durante el pretratamiento de la mezcla sólida estándar de la FORSU. Se obtuvo un aumento de carbohidratos fermentables del 68.3, 59.5 y 155.3 %, a las condiciones de pretratamiento optimizadas (2.2 kg/cm2 (135 oC) y 12 min), a las condiciones de pretratamiento (2.7 kg/cm2 (140 oC) y 15 min) con H2SO4 al 1 % y a las condiciones de pretratamiento (2.7 kg/cm2 (140 oC) y 15 min) con H2SO4 al 2 % respectivamente, comparado con las condiciones de esterilización térmica estándar (1.1 kg/cm2 y 15 min) sin la adición de H2SO4. Debido a problemas prácticos en el ajuste de pH, en la etapa del CMS se decidió evaluar dos pretratamientos térmicos, 2.2 kg/cm2 (135 oC) y 12 min y 2.7 kg/cm2 (140 oC) y 15 min sin adición de H2SO4; estas condiciones representan un factor de severidad (FS) de 2.11 y 2.35, respectivamente.
Fecha de publicación
7 de junio de 2019
Tipo de publicación
Tesis de doctorado
Recurso de información
Idioma
Español
Repositorio Orígen
Repositorio Institucional de la Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa
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