Catálogo de publicaciones

La producción de bioetanol involucra las etapas de licuefacción y sacarificación del almidón, con la posterior fermentación anaeróbica de los azúcares más simples por parte de levaduras. Previo proceso de fermentación, los azúcares deben estar disponibles en el medio de reacción para ser metabolizados por levaduras, para esto, se usan las enzimas alfa y gluco -amilasa. En el proceso de producción clásico tanto enzimas como levaduras, son adicionadas a la mezcla de reacción y permanecen suspendidas libremente en el medio(Binod et al., 2010), con lo cual resulta dificultoso de ser operado de forma continua e imposibilita la reutilización de los catalizadores. En consiguiente, los niveles de rentabilidad del proceso convencional son bajos. Así surge la necesidad de estudiar distintas opciones que posibiliten el aumento de la productividad del proceso, permitan altos rendimientos de producto, disminuyan costos y tiempos de operación.En la presente tesis doctoral fue demostrado que el empleo de enzimas y levaduras inmovilizadas en una matriz polimérica y monolítica, ofrece múltiples mejoras y no implica cambios radicales en el proceso de producción. Para tal fin, se inmovilizaron enzimas alfa y gluco-amilasa y levaduras S. cerevisiae como bio-catalizadores utilizados industrialmente en el proceso de producción de bioetanol. Se estudiaron distintas matrices de inmovilización, particularmente hidrogeles de poliacrilamida macro y microporosos, y acrilamidas co-polimerizadas con otros monómeros vinílicos y nanocompuestos poliméricos de hidrogeles-óxido de grafeno. También se analizó el uso como matriz de inmovilización de un bio-polímero de origen natural (alginato). Además, se utilizaron diversas técnicas de inmovilización: inmovilización por atrapamiento, inmovilización por adsorción superficial y por encapsulación. Los distintos procedimientos de preparación e inmovilización fueron comparados con los componentes activos libres, en las reacciones de hidrólisis-sacarificación y fermentación, involucradas en la producción de bioetanol. Las mejores condiciones de síntesis fueron seleccionadas analizando parámetros tales como: incorporación del componente activo a la matriz, estudios de resistencia mecánica y estabilidad química, análisis de impedimentos difusionales y condiciones de reacción (tanto de hidrólisis-licuefacción para enzimas como fermentación para levaduras). Para la inmovilización de enzimas se analizó la actividad enzimática en las reacciones de hidrolisis-sacarificación. Se determinaron los parámetros cinéticos de Michaelis-Menten. Los valores de actividad enzimática, durante ambas reacciones, pronostican reacciones algo más lentas inicialmente para enzimas inmovilizadas en hidrogeles respecto a las enzimas libre. Sin embargo, la posibilidad de reutilización y el mantenimiento de la capacidad catalíticas de enzimas inmovilizadas resultan en grandes ventajas operativas. Las levaduras fueron retenidas de manera eficiente en hidrogeles monolíticos, presentando excelentes propiedades mecánicas y alta viabilidad celular reforzadas por un sistema nanocompuesto de hidrogel y óxido de grafeno. Durante la reacción de fermentación, hidrogeles macroporosos mostraron un transporte masivo rápido permitiendo que los sistemas hidrogel-levaduras alcancen rendimientos y productividades de etanol similares a las levaduras libres. Por otra parte, las mismas levaduras fueron capaces de mantener su actividad por hasta cinco ciclos de reacción. Respecto a la temperatura de operación, levaduras inmovilizadas lograron soportar activamente hasta una temperatura de trabajo 10 ºC superior a la máxima soportada por levaduras libres. También se mostraron más resistentes a la presencia de etanol (aunque por tiempos limitados) y respondieron en forma positiva al incremento de glucosa inicial en el sistema. Por último, se estudió un sistema que involucra la inmovilización simultánea de enzimas y levaduras mediante el uso de un programa de Diseño Experimental, logrando su optimización en el sistema de producción de bioetanol.En conclusión, matrices de hidrogeles de poliacrilamida reforzadas con oxido de grafeno (nanocompuestos), ofrecen múltiples posibilidades al implementarse como matrices de inmovilización de biocatalizadores para la producción de bioetanol. El particular carácter monolítico y macroporoso de estos hidrogeles los hace especialmente adecuados para salvar tres dificultades, frente a otras matrices de inmovilización: la facilidad de reutilización, la mayor tolerancia a condiciones medioambientales adversas y el atrapamiento del componente activo durante un periodo prolongado de tiempo.

El trabajo realizado en el marco de la presente Tesis se centró en evaluar la utilidad de una metodología novedosa de acetilación para la hidrofobización de nanofibras de celulosa bacteriana (BNC). En el curso del estudio, la ruta se extendió a otras formas de nanocelulosa, como son las membranas enteras de BNC y los nanocristales de celulosa de origen vegetal (CNC). La aplicación concreta pensada para las nanocelulosas modificadas fue su utilización como refuerzo de una matriz polimérica biodegradable hidrofóbica de interés comercial como es el ácido poliláctico (PLA). El objetivo final del trabajo fue obtener materiales compuestos biodegradables con propiedades mejoradas que dependen en gran medida de la eficacia con que se haya logrado la compatibilización entre refuerzo y matriz. El Trabajo de Tesis se organizó de la siguiente manera: En el Capítulo 1 –Introducción – se describen las características más relevantes y las fuentes de celulosa y de nanocelulosas, con especial énfasis en las propiedades y aplicaciones de la nanocelulosa de origen bacteriano. Posteriormente, se hace una breve recopilación de las diferentes metodologías que han sido propuestas para la hidrofobización de nanofibras de celulosa, particularmente mediante reacciones de esterificación. Entre ellas se describe la esterificación de celulosa mediada por - hidroxiácidos de origen natural en condiciones relativamente suaves de reacción y sin cosolventes agregados, cuya utilidad para hidrofobizar nanocelulosas es objeto de estudio en esta Tesis. El Capítulo finaliza con una introducción a los materiales poliméricos biodegradables, y una recopilación de antecedentes sobre el uso de nanocelulosas hidrofobizadas como refuerzo de matrices poliméricas biodegradables hidrofóbicas como es el PLA. Se presentan también los objetivos de la Tesis. En el Capítulo 2 – Experimental – se detallan los materiales y las metodologías utilizadas para la obtención de las nanocelulosas, su posterior acetilación organocatalítica en diferentes condiciones, y la preparación de materiales compuestos biodegradables de matriz de PLA reforzados con las nanocelulosas modificadas. Se resume también la diversidad de técnicas utilizadas a lo largo de esta Tesis para caracterizar los sustratos nanocelulósicos, las nanocelulosas modificadas y los materiales compuestos obtenidos. En el Capítulo 3 – Estudio exploratorio de la acetilación de nanocelulosa bacteriana catalizada por -hidroxiácidos – se presentan los resultados de un primer estudio exploratorio dedicado a testear la capacidad de tres ácidos orgánicos de origen natural (ácido láctico, ácido (L)-tartárico y ácido cítrico) para promover la incorporación de grupos acetilo en las nanofibras de celulosa bacteriana y reducir su polaridad. Los productos se caracterizaron por diversas técnicas que permitieron elegir el -hidroxiácido que se utilizó en los ensayos subsiguientes (ácido cítrico). En el Capítulo 4 – Acetilación de BNC catalizada con ácido cítrico: Estudio de variables de proceso – se presenta la evaluación del efecto de las diversas variables del proceso con el que se llevó adelante la acetilación de la BNC (preacondicionamiento de sustratos, condiciones de reacción seleccionadas, escala del sistema) sobre el grado de sustitución (GS) conferido a las nanofibras usando ácido cítrico como catalizador. Este estudio permitió evaluar la versatilidad de la ruta propuesta para modular las propiedades de los productos. En vistas de los resultados obtenidos utilizando nanofibras de BNC como sustrato, en el Capítulo 5 – Extensión de la acetilación organocatalítica a otros sustratos nanocelulósicos – se presentan los estudios realizados para evaluar la posibilidad de extender la ruta de acetilación a la hidrofobización de membranas enteras de BNC y nanocristales de celulosa de origen vegetal en condiciones previamente optimizadas. Finalmente, en el Capítulo 6 – Nanocompuestos PLA/BNC acetilada – se plantea el uso de las BNC acetiladas como refuerzo de una matriz de PLA, evaluándose puntualmente el efecto del nivel de acetilación conferido a la BNC y del contenido de refuerzo en propiedades seleccionadas de los materiales compuestos obtenidos. En el Capítulo 7 – Conclusiones– se resumen las conclusiones generales de la Tesis y se proponen estudios futuros derivados del presente trabajo.