Centro de Ingeniería Bioquímica (CIB)

Informe de Actividades 2015

I. Objetivo del Centro

La humanidad se encuentra confrontada por retos que necesitan enfrentarse con los aportes imprescindibles del conocimiento generado por la ciencia y la tecnología. Entre los retos pueden mencionarse: a) la seguridad alimentaria a través de una agricultura sostenible, b) las fuentes renovables de energía para el transporte y la generación de electricidad, c) el suministro de agua limpia, d) la salud pública, prevención de enfermedades, desarrollo de nuevos fármacos y la genómica médica, e) el aprovechamiento de los residuos de las ciudades, y f) la fijación del carbono y la conservación de la biodiversidad.

El Centro de Ingeniería Bioquímica se ha concebido con el objeto de contribuir en la búsqueda de soluciones a los anteriores retos por medio de investigaciones con una visión de largo plazo pero a su vez con metas que deben alcanzarse paulatinamente. Actúa en su especialidad de acuerdo con sus capacidades e infraestructura y dentro del marco de la realidad nacional.

 

II. Personal

Investigadores de Planta:

  • MSc. Carlos E. Rolz Asturias, Director
  • MSc. Luis Roberto De león Fajardo, Investigador
  • Lic. Ana Luisa Mendizábal de Montenegro, Investigador

 

Técnicos del Planta

  • Sr. Carlos Humberto Arias Méndez, Técnico
  • Sra. Ofelia Paniagua, Técnico

 

Estudiantes de UVG participando en proyectos

  • Ninguno

 


III. Principales Logros y Reconocimientos

La empresa Research Gate informó que las publicaciones científicas de Carlos Rolz había llegado a 400 citas.

 

IV. Proyectos de Investigación

Título del Proyecto:Optimización de la producción de biodiesel empleando la extracción acoplada a una reacción simultánea de biomasa rica en grasa.
Agencia Donante: FODECYT 003-2012 - SENACYT
Resumen de Logros del Proyecto - Copiado del Informe final:

           Guatemala es un país importador neto de combustibles líquidos derivados del petroóleo. El consumo actual de diésel es del orden de los 1,200 millones de litros por año con una tendencia alcista mostrada en las últimas dos décadas. El diésel puede ser mezclado con el biodiesel, combustible renovable producido por la reacción de trans-esterificación entre un aceite vegetal o una grasa animal y un alcohol de bajo peso molecular bajo la acción de un agente catalítico, en diferentes proporciones sin necesidad de alterar el funcionamiento de los motores diésel o de combustión por compresión. En el año 2011 se ha estimado que la producción mundial anual de biodiesel fue de aproximadamente 14,441 ML1. La región en donde más se produjo fue en Europa con un 44 %. Las materias primas usadas han sido: a) aceites vegetales comestibles refinados, b) metanol y c) catalizadores alcalinos, hidróxido de sodio o de potasio. Entre los aceites vegetales están los siguientes: soya y canola en Norteamérica, soya en Suramérica, colza y girasol en Europa y palma en el Sureste Asiático. La mayoría de ellos son aceites vegetales alimenticios.

           En Guatemala se intentó producir biodiesel a partir del aceite de Jathropa curcas o piñón como se le conoce localmente, pero el resultado no fue exitoso comercialmente, especialmente por problemas en el rendimiento agrícola del cultivo. Así mismo, plantas piloto han procesado pequeñas cantidades de aceite vegetal de desecho usado en la industria de alimentos fritos, incluyendo la planta demostrativa del Centro de Procesos Industriales, Instituto de Investigaciones, de la Universidad del Valle de Guatemala, la cual al mismo tiempo se emplea en la enseñanza como en la investigación.

           El proyecto presente tuvo como un primer objetivo reemplazar el metanol por el etanol, ya que Guatemala produce etanol de recursos renovables. Por lo que se consideró de importancia estratégica conocer con más profundidad la producción de ésteres etílicos de ácidos grasos o FAEE, como se les conoce por sus siglas en inglés. Un segundo objetivo fue la de investigar una posible consolidación del proceso, integrando en una sola operación la extracción del aceite de la materia prima con la reacción del mismo con el alcohol correspondiente. Por otro lado, Guatemala no cubre la demanda actual de aceites comestibles, ya que se importan, principalmente, aceites de soya, girasol y maíz. El aceite de palma, cuyo cultivo ha crecido últimamente, cubre las necesidades internas y el excedente se exporta. En menor escala se cultiva el ajonjolí, cuya semilla se exporta y cubre también el mercado local. Por lo tanto, un tercer objetivo, de igual importancia estratégica, fue el de explorar opciones no tradicionales como los microorganismos oleaginosos, entre ellos las levaduras, las cuales pueden producirse de subproductos de la industria azucarera, sin la necesidad de emplear tierra de uso agrícola.

           La producción de ésteres etílicos a partir de un aceite vegetal y etanol se llevó a cabo con la aplicación de ultrasonido como una fuente de zonas de cavitación acústica y de agitación, empleando agitación mecánica y bajas temperaturas. Se utilizó un diseño factorial con repetición del punto central y se cuantificó el efecto sobre el grado de conversión de dos factores o variables, la relación molar etanol: aceite y la cantidad del catalítico alcalino hidróxido de potasio. Los dos factores tuvieron una influencia significativa sobre la conversión y la interacción entre ambos tuvo una importancia relativamente menor. La conversión fue mayor al cambiar los factores de su nivel bajo al nivel alto, en otras palabras, la conversión aumentó cuando inicialmente había mayor cantidad de etanol y de KOH, de acuerdo con el modelo matemático generado. Se estimó que la concentración adecuada de catalizador no debería pasar de 1.0 % en peso referido al contenido de aceite inicial y la relación molar 10: 1 de etanol a aceite era suficiente El tiempo de reacción para obtener la mayor conversión de un 88 % logrado se observó que estaba entre 10 a 15 min. Los datos obtenidos de la conversión respecto al tiempo fueron ajustados a un modelo de reacción de pseudo segundo orden. El ajuste fue mejor cuando se empleó una mayor cantidad de catalizador.

           El costo de producción de esteres metílicos a partir de un aceite comercial fue de Q 34.24 por galón de producto, en una planta con una producción anual de biodiesel de 50,000 Mg . En Guatemala dicha cantidad puede mezclarse en un 5% con diésel importado para llenar la demanda actual de 1,200 millones de litros por año. Se identificó en el proceso al costo de la materia prima grasa como el factor decisivo en fijar el costo de producción del biodiesel. Por otro lado, se listaron una serie de anotaciones indicando las diferentes alternativas, en el ámbito nacional, para disminuir dicha cifra. Por ejemplo, la única materia prima por el momento capaz de surtir la demanda de aceite de la planta de biodiesel analizada resultó ser la palma. El costo actual de dicho aceite en el mercado internacional está alrededor de US$ 600 por tonelada. La disminución de un 45 % en el costo del aceite empleado en el proceso tiene un efecto marcado en el costo de producción, el cual disminuiría hasta Q 16.90 por galón. Dicha cifra podría reducirse aún más al llevar a cabo un análisis de costos más detallado.

           En relación a la posible consolidación del proceso, la extracción reactiva realizada con el desecho sólido de café y con la semilla de ajonjolí triturada, empleando etanol, hidróxido de potasio como catalítico y usando ultrasonido en pulsos como ayuda física para acelerar la extracción y la reacción, se llevó a cabo sin problemas. La proporción inicial de 1 a 10 en g de material sólido a mL de etanol, y la proporción de 1% de hidróxido de potasio en base al peso inicial de aceite contenido en el sólido fueron las apropiadas para la operación del reactor. El tiempo empleado de 4 a 5 h y la operación del sistema de ultrasonido en forma de pulsos logró una conversión adecuada. Los ésteres etílicos identificados en el producto resultante correspondían con la composición de los ácidos grasos del aceite original en el sólido.

           La experimentación con las levaduras oleaginosas Trichosporon oleaginosus DSM 11815 y Yarrowia lipolyticaCBS 2075 como una fuente de aceite no tradicional permitió obtener los resultados siguientes respecto al substrato empleado para crecer las levaduras. Primero, en el crecimiento en hidrolizados de la lignocelulosa, se comprobó que se obtenía un mayor crecimiento en hidrolizados ácidos del tallo de sorgo dulce que de los hidrolizados alcalinos. La levadura Trichosporon oleaginosus DSM 11815 tuvo un mayor crecimiento que Yarrowia lipolytica CBS 2075 y el rendimiento de conversión a biomasa seca por unidad de azúcar inicial fue de 0.232. Sin embargo la levadura Yarrowia lipolytica CBS 2075 contenía más del doble de aceite que la levadura Trichosporon oleaginosus DSM 11815 . En 7 días de cultivo se obtuvo 2.77 g/L de biomas seca de levadura con un contenido de aceite de 28.27 %. Lo anterior equivale a 0.0047 g aceite por litro por hora de cultivo.

           Por otro lado, el empleo del jugo de sorgo como materia prima para producir biomasa de levaduras ricas en aceite fue exitoso. Las dos levaduras anteriores, Yarrowia lipolytica CBS 2075 y Trichosporon oleaginosus DSM 11815 mostraron una velocidad inicial de crecimiento entre 0.01 y 0.09 h-1 y rendimientos de biomasa seca por carbohidratos consumidos entre 0.29 y 0.39, cifras aceptables. Se encontró que fue necesario enriquecer el jugo de sorgo con una fuente de nitrógeno para lograr las cifras anteriores. Así mismo se constató experimentalmente que los resultados al emplear nitrógeno orgánico o nitrógeno inorgánico eran equivalentes. El enriquecimiento del jugo de sorgo con 1 g/L de fosfato de amonio fue satisfactorio. Las dos levaduras mostraron una inhibición cuando la concentración inicial del azúcar era alta, sin embargo no se determinó el umbral de azúcar en donde ocurre esta inhibición. El contenido de aceite de la biomasa de la levadura Yarrowia lipolytica CBS 2075 estuvo alrededor de 25 % y el de la levadura Trichosporon oleaginosus DSM 11815 entre 17 y 28 %. La transformación del aceite a esteres metílicos se realizó exitosamente y el análisis por cromatografía reveló una mayor proporción del éster C18:1 (oleico) en la mezcla resultante.

           El costo de producción de esteres etílicos a partir del aceite de una levadura oleaginosa no fue competitivo con la estructura de precios actuales de los combustibles. El costo principal estuvo asociado a la inversión fija en el proceso para producir la biomasa de la levadura oleaginosa, el cual fue relativamente elevado debido a la baja productividad del aceite.

           Con el objeto de reducir costos se desarrolló una estrategia de proceso novel para producir del jugo de sorgo dulce con una alta concentración de azúcar dos productos, el etanol y la levadura rica en grasa. El proceso consistió en dos etapas en secuencia.

           En la primera etapa se produjo etanol empleando la levadura Saccharomyces cerevisae. Se ensayaron cuatro levaduras con jugo de sorgo a las más altas concentraciones de azúcares totales iniciales. Las levaduras CBS381 y CBS 459 produjeron 7.13 y 7.26 g etanol %, respectivamente, y no consumieron el 14 y el 7 % aproximadamente del total de los azúcares iniciales. Por otro lado, la levadura CBS422 produjo la menor cantidad de etanol con el menor consumo de azúcar. Los ensayos anteriores demostraron la flexibilidad de la operación, ya que la cantidad de etanol a producir dependía de la cepa de levadura empleada.

           En la segunda etapa se creció Trichosporon oleaginosus DSM 11815 en el licor obtenido, luego de separar la primera levadura y destilar el etanol, para producir biomasa rica en grasa ya que dicha levadura consumió mejor la sacarosa en el jugo de sorgo dulce que la levadura Yarrowia lipolytica CBS 2075. Se obtuvo una productividad de aceite de 0.035 g de aceite por litro de medio por hora, lo cual comprobó la factibilidad de la estrategia desarrollada.

           La alternativa propuesta en este trabajo de emplear jugo de sorgo de alta concentración de azúcar para producir dos productos en dos etapas consecutivas, utilizando dos distintas levaduras, pudiera paliar en parte el problema del costo de producción. Por un lado se tendrían dos productos para vender, el etanol y el biodiesel (FAEE). Por el otro es posible procesar la levadura productora de etanol y la levadura oleaginosa (libre de aceite) y vender la mezcla como una materia prima rica en proteína para la industria de concentrados destinados a animales mono-gástricos.

           En términos generales puede decirse, entonces, que la experimentación realizada confirmó la factibilidad de emplear etanol en lugar de metanol en la producción de biodiesel y que el ultrasonido aceleró la velocidad de reacción. De igual forma, se llevó a cabo la extracción con etanol del aceite de dos diferentes materias primas oleaginosas acopladas a la reacción de trans-esterificación para formar los ésteres etílicos. Sin embargo, las condiciones de operación deben de optimizarse en futuros trabajos, en los cuales deben de incluirse fuentes de aceite no tradicionales, que no provengan del uso extensivo de la tierra agrícola, tal como los microorganismos oleaginosos. Las levaduras empleadas en este trabajo, especialmente el Trichosporon oleaginosus, deben ser estudiadas con más detalle para acelerar su tasa de crecimiento y de acumulación de aceite.

           Con el objeto de disminuir los costos de producción debe estudiarse más a fondo la alternativa desarrollada en este trabajo, la cual partiendo del jugo extraído del tallo del sorgo dulce, empleando dos levaduras distintas en etapas consecutivas, produce dos biocombustibles, el etanol y el biodiesel.

           A continuación, en la primera parte, luego de una breve introducción, del planteamiento del problema, de los objetivos e hipótesis del proyecto, se describe en detalle la metodología empleada en la ejecución de los experimentos y de las pruebas. La segunda parte del informe contiene los antecedentes o marco teórico elaborado luego de una extensa búsqueda de información en la literatura científica relacionada al tema. La tercera parte presenta, con ayuda de 40 cuadros y 64 gráficas, los resultados experimentales y seguidamente la discusión de los mismos. La cuarta parte resume las conclusiones del trabajo ordenadas en términos de los objetivos iniciales. Finalmente se presentan, recomendaciones, un listado de 195 referencias bibliográficas citadas en el texto, y siete anexos.

           Se entregó el informe final del proyecto a la SENACYT.

Crecimiento de la levadura oleaginosa Yarrowia lipolytica CBS 2075 en un jugo de sorgo previamente fermentado

Descripción: Yarrowia.jpg

Reactor piloto para producir ésteres etílicos de ácidos grasos (FAEE-Biodiesel) con ayuda de ultrasonido

Descripción: Yarrowia.jpg

 


 

Título del Proyecto: Re-ingeniería del proceso húmedo del café para aumentar su productividad
Agencia Donante: Fodecyt 029-2013 – Senacyt
Resumen de logros (proyecto en progreso):

            Se llevaron a cabo pruebas de fermentación con café de:

  • San Vicente Pacaya
  • Cooperativa La Nueva Era, Jumaytepeque, Nueva Santa Rosa, Santa Rosa
  • Cooperativa Nuevo Sendero, Santa Rosa
  • Villa Canales
  • Acatenango

El procedimiento fue el de fermentar lotes de café despulpado sin emplear agua bajo tres condiciones: a) fermentación natural y b) inoculación del grano con levaduras Saccharomyces cerevisae CBS 459 y CBS 381. El grano fermentado se lavó y se secó por exposición al sol.
           El café fue totado en los laboratorios de Fedecocagua y evaluado organolépticamente por catadores expertos de esa institución. Actualmente se encuentran en marcha: a) la caracterización de los aromas de las muestras y b) catación por panel de expertos de la UVG.
           El agua separada de las fermentaciones se almacenó a -10 oC y se empleará como sustrato en la operación de digestor piloto de lecho empacado para producir metano.

Café en recipiente de fermentación previo a ser lavado

Descripción: cafe.jpg

Lavado de café

Descripción: cafe.jpg

Se terminaron las pruebas de beneficio en planta piloto y el análisis químico del aroma de las muestras. Están pendientes las pruebas de producción de metano. En el primer trimestre del 2016 se entregará el Informe final a SENACYT.

 


 

Participación del CIB en proyecto del CEAA

Título del Proyecto: Búsqueda, aislamiento y evaluación in vitro de hongos hiperparásitos a la roya del café Hemileia vastatrix Ber. & Br
Agencia Donante: FODECYT 031-2013 – SENACYT
Resumen de logros (proyecto en Proyecto):

           Se aislaron hongos hiperparásitos de hojas de café infectadas por roya provenientes de diferentes zonas productoras de café. Se tienen alrededor de 10 aislados de una morfología diferente al crecer en medios enriquecidos que se encontraron presentes en las diferentes regiones. Se han iniciado las pruebas preliminares de infectividad in vitro. Así también, el diseño experimental para optimizar el medio líquido de crecimiento y las pruebas de sobrevivencia en compost elaborado a partir de desechos de caña en Campo Sur.

Crecimiento filamentoso de un aislado en una pústula de roya sobre una hoja de café

Descripción: cafe.jpg

Se aislaron 42 hiperparásitos agrupados en seis grupos (A-F) de acuerdo a su morfología de crecimiento en superficie (PDA). Se ilustra el aislado 6 del grupo A (A6) de la Finca Santa Isabel, San Cristóbal, Alta Verapaz.

Morfología en PDA: micelio blanco abundante

Descripción: cafe.jpg

Crecimiento en medio líquido (10g/L de glucosa más nutrientes): crecimiento filamentoso amorfo

Descripción: cafe.jpg

Microscopía del micelio en medio líquido: micelio con ramificación leve y esporas en terminaciones laterales

Descripción: cafe.jpg

Crecimiento en perlas de alginato en superficie de PDA: positivo, permite evaluar acción contra roya in vitro

Descripción: cafe.jpg

Vista en el estereoscopio del crecimiento sobre roya: positivo desarrollo del micelio blanco sobre las uredosporas de la roya.

Descripción: cafe.jpg

Están pendientes las pruebas con un hongo representativo de los grupos D, E, y F. Se entregará el Informe final a SENACYT en el primer trimestre del 2016.

 

V. Publicaciones

  • Carlos Rolz.
    Restauración de lagos a través de un manejo adecuado de las aguas residuales generadas en la cuenca y de las cargas internas de nutrientes que se acumulan en el fondo del lago.
    Revista de la Universidad del Valle de Guatemala 30 : 8-11 (2015)

  • José Andrés Hernández & Carlos Rolz.
    Trans-esterificación de una mezcla de aceites de soya y girasol con etanol empleando catálisis alcalina y ultrasonido
    Revista de la Universidad del Valle de Guatemala No. 30: 52-61 (2015)

  • Carlos Rolz
    La generación futura de electricidad: ¿el carbón o el metano?
    Revista de la Universidad del Valle de Guatemala No. 31: en prensa (2015)

  • Carlos Rolz
    Reseña del libro Biochemical Engineering
    Shigeo Katoh, Jun-ichi Horiuchi, and Fumitake Yoshida
    Revista de la Universidad del Valle de GuatemalaNo. 31: en prensa (2015)

  • Carlos Rolz
    Reseña del libro - Life cycle assessment (LCA)
    Walter Klöpffer and Birgit Grahl
    Revista de la Universidad del Valle de GuatemalaNo. 31: en prensa (2015)
    Compost Addition Effects upon Sweet Sorghum Biomass Productivity and Sugar Content
    Springer April 2015 en prensa. Publicado en línea: 12 abril 2015
    R Cifuentes, R de León, AL Mendizábal, C Rolz

  • Artículos sometidos a revistas internacionales para su posible publicación:
    Se presentó a la revista internacional Biochemical Engineering Journal el artículo siguiente:
  • Carlos Rolz Two consecutive step process for etanol and biodiesel production from sweet Sorghum juice,
  • y a la revista Biomass and Bioenergy el artículo siguiente:
  • Carlos Rolz A multiple harvest cultivation strategy for ethanol production from sweet sorghum throughout the year in tropical ecosystems.

  • Revista UVG

    El CIB se encarga de editar la revista en referencia. Se editaron durante el año 2015 los números 30 y 31. La revista correspondiente al mes de agosto se distribuyó durante el presente año y la revista correspondiente a noviembre se distribuirá en febrero 2016.

    rev-1rev-2
  •  

    VI. Vinculación

    Cursos, talleres y conferencias asistidas:

    Impartidas (Nacionales)

    • UVG  RdeL Curso de Microbiología Industrial para 24 estudiantes.
    • Crolz: seminario Fundamentos de la conducta humana 21 septiembre.
    • UVG Foro Conferencia: Transferencia deoxígeno en tanques agitados 9 noviembre.
    • UVG Seminario: Investigación y transferencia de tecnología 24 noviembre.

    Asistidas (Nacionales)

    • UVG LIQA Planeacion estrategica, 10 Abril 2015.
    • UVG Propiedad Intelectual, 28 Abril 2015.

    Asistidas (Internacionales)

    • LIQA Reunion Thik Tank de Biotecnología, 19 agosto.
    • LIQA Which ICP- OES instrument's optical technology offers superior performance: Echelle or ORCA?, 4 de Junio.
    • Webinar from Spectroscopy. Integrating Spectral Analysis into Academic Research & Teaching, 20 de Mayo.
    • LIQA Espectroscopia de Absorcion Atomica, ICP, ICP-MS, ICP-MS FARMA, 2 de Junio con la empresa ANAQUI en el auditorio F-101. LIQA "Avances en el analisis cromatografico aplicado a la industria de alimentos y farmaceutica" 25 agosto.

     

    Visitantes al Centro


    Visitantes internacionales

    • LIQA Representantes de la Embajada de Estados Unidos por el proyecto GIS.

    Visitantes nacionales

    • LIQA Estudiante de Ingenieria Quimica, Bryan Juarez.
    • LIQA Dr Nicholas Irving.
    • LIQA Personal del Laboratorio de Bioetanol/Alcoholes de Guatemala
    • LIQA Solicitantes de servicios (Aromas Naturales, Grupo Solid, Negocer, Gestion de Servicios, Asfalgua).
    • LIQA Solicitantes de servicios (Grupo Solid, Bioetanol, Gestion de Servicios)

     

    Vinculación con estudiantes


    Visitantes internacionales

    • LIQA Tesistas Universidad de San Carlos de Guatemala que han solicitado analisis de muestras para sus investigaciones (Jim Giron, Dina Avellan, Diego Valle, Jose Carlos Lopez, Kimberlin Ramirez).
    • LIQA Polimero a partir de acido lactico (analisis del polimero por NMR).
    • LIQA Analisis y separacion de fracciones de muestras de saponinas para la en la tesis de Doctorado de la Licda. Lucia Nistch.
    • LIQA Universidad de San Carlos, muestras para analisis por cromatografia de gases.
    • LIQA Sofia Pallais, Carrera de Microbiologia y Bioquimica.
    • LIQA Estudiante de Bioquimica y Microbiologia. Jorge Chang y Carlo Martinez haciendo practica profesional.
    • LIB Lisa Aldana, estudiante del Departamento de Ingeniería Química quien llevó a cabo ensayo de hidrólisis de cáscara de banano y posterior fermentación de etanol.
    • LIQA Estudiantes de la Universidad Mariano Galvez y USAC en visita para conocer el funcionamiento del espectrofotometro infrarrojo.
    • LIQA Sofia Pallais, Megaproyecto; Lizza Maria Aldana, Megaproyecto; Luisa Gomez, Megaproyecto; Roberto Camposeco, Megaproyecto.
    • LIQA Sofia Pallais; Lizza Maria Aldana; Luisa Gomez; Roberto Camposeco; Diego Figueroa.

     

     

    Investigadores