Producción de etanol a partir de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos - Estrada Martínez, Raziel Jesús (Universidad Autónoma Metropolitana, 2019)
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. 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. 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.; Economic development and industrialization in Mexico led to an increase in the consumption of raw materials, which have had a significant impact on the volume and composition of waste generated. In Mexico, more than 53 million tons of municipal solid wastes (MSW) are generated each year, 52 % corresponds to organic matter. The Ministry of Development and Environment (SEDEMA) indicates that in 2017, 12 998 tons per day of MSW were generated in Mexico City, where 41 % was generated in the municipalities of Iztapalapa (2 245 tons/day), the Gustavo A. Madero (1 735 tons/day) and the Cuauhtemoc (1 316 tons/day). Conventional discharge into sanitary landfills and open-air dumps is a common method of MSW disposal in Mexico. Currently, alternative treatment methods such as composting and anaerobic digestion have been used to dispose some of these wastes. However, due to the high availability of these wastes, new processes are researched for this purpose. Therefore, the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) turns out to be an attractive raw material for its direct fermentation in ethanol by solid-state culture (SSC). A solid standard mixture representing the annual composition of fresh fruits and vegetables residues generated at the Supply Center in Mexico City was used for ethanol production. This type of residues allows ethanol production with a mild thermal pre-treatment instead of hard thermochemical or enzymatic treatments. In this work, methodologies were developed for the production of yeast biomass for use in SSC as inoculums. Besides, the pre-treatment of the raw material was optimized using a central composite factorial design (CCFD) and finally, fermentation strategies were developed in SSC at laboratory and pilot scale to produce ethanol. In the first experimental stage, the fermentation capacity of different yeasts was evaluated by cultivation in Erlenmeyer flasks with different flask design and filling volume for the biomass production. It was found that a filling volume of 20 % leads to better microbial growth and allows better inoculums production independently of flask design. The Crabtree effect was evaluated quantitatively through ethanol productivity under aerobic conditions and microbial growth by product consumption. Yeasts with a positive Crabtree effect have a high potential for rapid ethanol production during direct OFMSW fermentation. The second experimental stage aimed to optimize the carbohydrates release and decrease the inhibitors concentration such as acetic acid and hydroxymethylfurfural (HMF). For this purpose, a CCFD was proposed in terms of pressure-temperature and residence time, at adding three levels of sulfuric acid (H2SO4; 0, 1 and 2 % w/w) during the pre-treatment of the solid standard mixture of the OFMSW. An increase in carbohydrates fermentable of 68.3, 59.5 and 155.3 % was obtained, at optimized pre-treatment conditions (2.2 kg/cm2 (135 oC) and 12 min), at pre-treatment conditions (2.7 kg/cm2 (140 oC) and 15 min) with 1 % H2SO4 and pre-treatment conditions (2.7 kg/cm2 (140 oC) and 15 min) with 2 % H2SO4, respectively, compared to the standard thermal sterilization conditions (1.1 kg/cm2 and 15 min) without the addition of H2SO4. Due to practical problems in the pH adjustment in the SSF stage, it was decided to evaluate two thermal pre-treatments 2.2 kg/cm2 (135 oC) and 12 min and 2.7 kg/cm2 (140 oC) and 15 min, without the addition of H2SO4, these conditions exhibit a severity factor (SF) of 2.11 and 2.35, respectively. SF is a practical criterion for comparison of thermal pretreatment of the solid standard mixture of the OFMSW. Finally, in the third experimental stage, the direct fermentation of ethanol from the use of OFMSW by SSC was carried out; axenic and mixed cultures of yeasts at laboratory and pilot scale was evaluated. At laboratory scale, tubular bioreactors were used; two SF were evaluated (2.11 and 2.35) in the OFMSW thermal pre-treatments for ethanol production by SSC. A maximum production of 282.61±13.09 L of ethanol per ton of dry matter (DM) was reached with a SF of 2.35, using inoculums composed of a mixed culture (MC) of three yeasts (Saccharomyces cerevisiae ITD00196, Scheffersomyces stipitis ATCC58785, y Schwanniomyces occidentalis ATCC26077). At pilot scale, helical ribbons and an endless screw bioreactors were used. A severity factor of 2.35 and without pre-treatment of solid standard mixture of the OFMSW was evaluated in the ethanol production by SSC, respectively. With helical ribbons bioreactor, a maximum ethanol production of 245.72±17.76 L of ethanol per ton of DM was reached, using a MC, on the other hand, and using the endless screw bioreactor a maximum production of 209.16±12.55 L of ethanol per ton of DM was reached, using the yeast Saccharomyces cerevisiae ITD00196. The results demonstrated the process could be simulated successfully using a first-order decay kinetic for the consumption of fermentable carbohydrates and the Gompertz model for the ethanol production; these models are useful in describing the extent of the bioreaction. Online gas monitoring (CO2) was proposed as a useful tool for bioprocess control in ethanol production from a solid standard mixture of the OFMSW. With the results obtained, it is demonstrated that the thermally pre-treated solid standard mixture of the OFMSW presents a high potential for its use in ethanol production using a mixed culture at laboratory and pilot scale under solid-state culture conditions without any thermochemical or enzymatic pre-treatment.