BIODEGRADACIÓN DE AZÚCARES (1)

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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS 
INGENIERÍA AMBIENTAL 
BIORREMEDIACIÓN
BIODEGRADACIÓN DE AZÚCARES
Integrantes:							Curso:
Arellano Bryan						Séptimo “A”
Campusano Alex
Erazo Luz
Gualli Melvin
Hidalgo Frank
Martínez Katerine
Paladines Lady						Fecha:
Ulpo Katherine						12 de julio, 2021
Docente:
Dra. Nancy Veloz
Introducción
La biodegradación es el resultado de los procesos de digestión, asimilación y metabolización de un compuesto orgánico llevado a cabo por bacterias, hongos, protozoos y otros organismos. Muchos compuestos biológicos (lignina, celulosa, etc.) son difícilmente degradados por los microorganismos debido a sus características químicas. La biodegradación es un proceso natural, que no sólo permite la eliminación de compuestos nocivos impidiendo su concentración, sino que además es indispensable para el reciclaje de los elementos en la biosfera, permitiendo la restitución de elementos esenciales en la formación y crecimiento de los organismos (carbohidratos, lípidos, proteínas). La descomposición puede llevarse a cabo en presencia de oxígeno (aeróbica) o en su ausencia (anaeróbica). La primera es más completa y libera energía, dióxido de carbono y agua, es la de mayor rendimiento energético. Los procesos anaeróbicos son oxidaciones incompletas y liberan menor energía.
La obtención de los azúcares fermentables contenidos en los carbohidratos de la biomasa es uno de los factores clave para establecer una bioeconomía sostenible y reducir nuestra dependencia del petróleo y sus derivados. Por ello, las enzimas capaces de degradar carbohidratos ofrecen una buena perspectiva para catalizar selectivamente estos procesos (Moreno, 2018).
El éxito en la implementación de una bioeconomía sostenible radica en el desarrollo de procesos eficientes para la conversión de la biomasa. Los carbohidratos, uno de los componentes mayoritarios de la biomasa, representan una excelente fuente de azúcares que ciertos microorganismos pueden transformar en biocombustibles (bioetanol y biodiésel), bioplásticos o aditivos de pinturas y cosméticos. Sin embargo, la matriz estructural de la biomasa dificulta significativamente la accesibilidad de estos azúcares, limitando los procesos biológicos de conversión y haciendo necesario el pretratamiento de la biomasa mediante procesos fisicoquímicos. A su vez, la degradación de los carbohidratos a sus respectivas unidades de azúcar resulta un proceso complejo, ya que a pesar de tener una composición química muy similar (por ejemplo, la celulosa y el almidón están ambos formados por unidades de glucosa), existen múltiples posibilidades de combinación entre sus componentes. Esta variedad de composiciones es debido principalmente a: 
· La diversidad en la organización tridimensional de los azúcares
· Las distintas posibilidades de unión entre los azúcares 
· La presencia de enlaces con otros componentes no azucarados
Ante esta variedad de composición, los biocatalizadores enzimáticos pueden ejercer un papel fundamental para la ruptura selectiva de los enlaces que conforman estas macromoléculas.
Las CAZymes, son las enzimas que actúan sobre los carbohidratos. Según CAZy (la base de datos de lasCAZymes), actualmente se conocen cerca de 300 familias de módulos catalíticos y auxiliares con más de 100.000 entradas no redundantes, lo que demuestra la gran diversidad y complejidad de los procesos de degradación, y de formación de los carbohidratos. Teniendo en cuenta su actividad primaria, las CAZymes se clasifican en 5 grupos, incluyendo, a su vez, las enzimas que actúan sobre la lignina. La lignina se encuentra íntimamente asociada a los carbohidratos de la pared celular de las plantas y, por tanto, todas estas actividades están muy relacionadas entre sí.
La complejidad de los procesos de conversión de la biomasa hace necesaria la combinación de diferentes actividades para lograr una hidrólisis completa de sus carbohidratos. 
Ilustración 1 Degradación enzimática de la fibra de celulosa
En la ilustración se puede observar las enzimas involucradas en la degradación del polisacárido estructural de las plantas, la celulosa. La presencia de cada una de las enzimas representadas en esta figura es imprescindible para poder obtener una hidrólisis completa de la celulosa, ya que sólo la acción combinada de estas actividades permite poder acceder a todos y cada uno de los enlaces correspondientes. Este hecho es uno de los factores limitantes para las biorrefinerías, dado que el conjunto de actividades requeridas depende directamente de la materia prima, dificultando la obtención de preparaciones enzimáticas de uso generalizado.
Con el fin de desarrollar y optimizar las preparaciones biocatalíticas para la degradación de la biomasa, los recientes avances en las técnicas globales de análisis masivo, denominadas ómicas, han favorecido la identificación de un gran número de nuevas CAZymes. Estas enzimas, en su mayoría de origen bacteriano, permiten ampliar el “catálogo” de actividades disponibles tanto a nivel cuantitativo como cualitativo, ofreciendo una mayor versatilidad respecto a las condiciones de reacción (temperatura o pH). Asimismo, la combinación de técnicas bioinformáticas y de biología molecular ha permitido rescatar ancestros de las actuales CAZymes ya extintos. La recuperación de estos ancestros incrementa notablemente la posibilidad de generar, a través de procesos de evolución selectiva en el laboratorio, todo un conjunto de nuevos biocatalizadores con características específicas a un proceso concreto. 
Análisis de casos de biodegradación de azúcares
· Biodegradación y liberación de azúcar de biomasa de la planta de canola por selección de hongos de podredumbre blanca
La canola es una biomasa vegetal rica en lignocelulosa y un cultivo bioenergético en América del Norte. La biomasa vegetal es generalmente se deja como basura en los campos o se vuelve a arar en el suelo después de la cosecha. Sus tallos y raíces basales son leñosos, y más lento para descomponerse en relación con las porciones del tallo Lignina (14,2%), celulosa (42,4%) y hemicelulosa (16,4%) son componentes principales del material vegetal de canola. (Isikhuemhen et al., 2014)
Entre estas fracciones, la lignina consiste en un polímero heterogéneo y altamente reticulado, mientras que la celulosa se organiza como glucosa polimérica lineal larga cadenas y está dispuesto en varios niveles de fibrillas. Las hemicelulosas, por el contrario, son polímeros ramificados compuesto por varios tipos de carbohidratos y compuestos fenólicos, entre los que se encuentran xilano, glucano y arabinoglucano que forman la columna vertebral del azúcar en su estructura. (Isikhuemhen et al., 2014)
Materiales y métodos 
· Cultivación de organismos 
Los inóculos fúngicos se prepararon cultivando cada hongo en medio basal de glucosam después se agregó microelementos al medio basal: 
· Fermentación en estado sólido	
La fermentación en estado sólido se realizó en matraces Erlenmeyer de 250 mL, conteniendo 5 g (peso seco) de molidos materiales vegetales de canola (sustrato) mezclados con agua (proporción 1: 4) y esterilizados a 121 ° C durante 15 min. Los matraces que contenían los sustratos esterilizados se inocularon cada uno con 2 ml de homogeneizado de inóculo (43 - 52 mg de micelio peso seco) preparado como se describe anteriormente, y se incubó a las temperaturas designadas para las diversas cepas. (Isikhuemhen et al., 2014)
Resultados y discusión 
Los resultados indican que, entre las tres macromoléculas, solo la lignina se degradó significativamente (Tabla 1). Después de siete días, solo B. adusta mostró una degradación significativa en el contenido de lignina. Sin embargo, después de 14 días, el grado de degradación de todos los organismos fue significativamente diferente (P <0.05) del control. Aunque el el grado de degradación difirió entre los organismos analizados, P. pulmonarius tuvo las tasas de degradación más altas. (el contenido de lignina residual había disminuidodel 15,24% al 10,9%), que era significativamente diferente (P <0,05) de los otros organismos (Tabla 1). (Isikhuemhen et al., 2014)
 
Tabla 1: Contenido de lignina, celulosa y hemicelulosa en biomasa vegetal de canola incubada con diferentes especies de basidiomicetos
Contenido de azúcar soluble
Los azúcares fueron liberados en mayor o menor medida por los diferentes organismos de ensayo a lo largo del período de incubación de tres semanas, donde la concentración más alta de glucosa (1,25 mg/mL) se determinó para B. adusta después de 14 días de incubación. La tendencia era que la glucosa aumentó después de una semana, alcanzó la concentración máxima después de dos semanas y disminuyó después de tres semanas a excepción de C. caperata 2 y del tuberregium del P., que tenían la concentración más alta de la glucosa después de tres semanas, además, se exhibieron tendencias similares con el resto de las cepas como se puede observar en la siguiente figura.
Ilustración 2 Tendencias de cada cepa
Es decir, en este estudio, el azúcar parecía ser liberado parcialmente, puesto que las hemicelulosas y la celulosa fueron degradadas apenas por los hongos probados. Sin embargo, parece que el período de liberación de azúcar alcanzó su punto máximo después de dos semanas, después de lo cual, hay una mayor utilización / asimilación de los azúcares para el crecimiento y el metabolismo de los hongos. Incluso resultados sugieren que, para conservar los azúcares, y mejorar el tratamiento previo que logra la biodelignificación utilizando WRF debe terminar después de dos semanas en la mayoría de los hongos probados.
Actividades enzimáticas hidrolíticas	
CMCase, glucosidasa, xilosidasa, cellobiosidasa y xilanasa , donde la tendencia general exhibida por todos los organismos es que la concentración de CMCase fue al menos después de siete días, aumentó a la concentración máxima después de 14 días y disminuyó después de eso, en cambio para la glucosidas la menor actividad enzimática fue registrada después de 21 días para el pulmonarius del P. (0,33 U/mL), mientras que la concentración más alta (5,0 U/mL) fue registrada después de 21 para el adusta delB. Esto ha demostrado que durante la degradación de la biomasa lignocelulósica, el rendimiento de glucosa se correlacionó con la actividad β-glucosidasa del mutante Trichoderma atroviride TUB (Isikhuemhen, Mikiashvili, Senwo, & Ohimain, 2014).
Conclusión:
En conclusión, el WRF probado tiene la capacidad de degradar selectivamente la fracción de lignina de la biomasa vegetal de canola, y producirá enzimas de firma oxidativa e hidrolítica; exopolisacáridos y azúcares fermentables. El modo de biodegradación se considera deslignificación selectiva, porque la lignina se degradó significativamente en comparación con las hemicelulosas y los componentes de la celulosa.
· Biodegradación anaeróbica de la pulpa de remolacha 
En este paper se discute la observación del proceso de biodegradación anaeróbica y la determinación de parámetros óptimos.
La pulpa de la remolacha azucarera es un subproducto de la producción de azúcar y se compone principalmente de celulosa, hemicelulosa y pectina. Su composición es adecuada para la degradación biológica. Tiene una ventaja adicional, la producción de biogás. Hay muy poca información disponible sobre la digestión anaeróbica de la pulpa de remolacha y la producción de etano. Una de las referencias se encuentra en el trabajo de Lane (1984), donde utilizo un reactor de tanque agitado de 10 litros, para obtener la máxima eficiencia, se aplicaron los siguientes parámetros tecnológicos:
· Tasa de carga orgánica 4,06 kg.m3d-1
· 95,27% de reducción.
· Rendimiento de metano de 0,263 m3 
La pulpa de remolacha se ha tratado mediante un proceso anaeróbico de dos pasos:
1. Hidrolisis y la acidificación
En esta fase se descomponen las cadenas largas de materia orgánica en otras más cortas, obteniéndose productos intermedios. La materia orgánica es descompuesta por la acción de un grupo de bacterias hidrolíticas que hidrolizan las moléculas solubles en agua, tales como grasas, proteínas y carbohidratos y las transforma en polímeros más simples. La hidrolisis es, por tanto, la conversión de polímeros en sus respectivos monómeros, durante este proceso ya hay producción de CO2 y el valor optimo del pH en la etapa de la hidrolisis es de pH 5,3y pH 6,7. Dependiendo del tipo de sustrato y del tiempo de retención el pH puede bajar hasta 4,5. 
2. Metanogénesis
La metanogénesis es la última etapa en la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas. Durante este proceso, aceptores de electrones (como el oxígeno, hierro, sulfato, nitrato y manganeso) se reducen, mientras que se acumulan hidrogeno y dióxido de carbono. También se acumulan compuestos orgánicos ligeros debido a la fermentación. Durante las fases avanzadas de la descomposición orgánica, todos los aceptores de electrones quedan reducidos excepto el dióxido de carbono. 
En esta fase se produce el 90% del total del metano que se produce en el biodigestor. Las tasas de crecimiento de las bacterias metalogénicas son cinco veces menores que las de la fase de a cetogénesis, por ello, son las que limitaran el proceso de degradación anaerobia. Son también las que condicionaran el tiempo de retención de la biomasa en el digestor, así como la temperatura del proceso. 
La investigación en laboratorio de la opción de tratamiento anaeróbico de la pulpa de remolacha azucarera indico que esta pulpa es un sustrato muy adecuado, dando como resultado una mayor carga eólica, un menor tiempo de retención y una mayor producción especifica de biogás y etano (Hutnan, Drtil, & Mrafkova, 2000). 
Ilustración 3 Modelo semicontinuo de laboratorio anaerobio
La mayor renovación se logró mediante el proceso del contenido homogenizado de un reactor acido génico en un reactor metalogénico. El contenido energético del metano se aproximó a 35 MJ, por lo tanto, el biogás producido podría ser una importante fuente alternativa de energía en las fábricas de azúcar. 
Conclusiones
El experimento se realizó en reactores sin agitación, debido a que una agitación podría afectar el rendimiento de los procesos. Esto se debe principalmente a una alta concentración de solidos en suspensión en el reactor acido génico. Otra desventaja del equipo a escala de laboratorio, principalmente en el caso del reactor metalogénico, es que no se puede operar de forma continua, esto significa que los lodos anaeróbicos estaban muy cargados al principio de un ciclo semicontinuo y la tasa de producción del biogás era varias veces mayor que al final del ciclo. 
La pulpa de remolacha acidificada se dosificó en este reactor una vez al día. Eso significaba que se dosificaba pulpa de remolacha en este reactor una vez al día. Eso significaba que el lodo anaeróbico estaba muy cargado al comienzo de un ciclo semicontinuo.
· Biodegradación de vinazas de caña de azúcar mediante el hongo de pudrición blanca Pleurotus Ostreatus en un reactor de lecho empacado
Las vinazas son el subproducto que se recibe tras dividir el alcohol del jugo de caña fermentado mediante un proceso de destilación común. 
La coloración oscura de las vinazas es atribuida a la existencia de compuestos de alto peso molecular, primordialmente melanoidinas y caramelos. Los procesos biológicos (anaerobios y aerobios) fueron considerados alternativas eficientes, económicas, y de bajo efecto ambiental para la administración de efluentes provenientes de la agroindustria del alcohol.
El uso de procesos anaerobios en condiciones mesofílicas (35°C) resulta bastante ventajoso, teniendo presente que posibilita borrar entre el 60-85% de la materia orgánica presente en las vinazas. Adicionalmente, en comentado proceso se recibe una corriente gaseosa rica en metano (CH4=65-85%) y dióxido de carbono (CO2=15-35%). Los procesos aerobios tienen la posibilidad de conseguir eficiencias de remoción de carga orgánica (expresada como DQO y DBO5) en el rango comprendido entre el 80-90%. Asimismo, los procesos aerobios muestraneficiencias de remoción de color mejores al 90% durante el procedimiento de aguas residuales agroindustriales. En los procesos aerobios, por cada kilogramo de materia orgánica (expresada en miligramo O2/L o DQO) que entra al proceso se crean 0.5 kilogramo de biomasa microbiana, los cuales deberán ser dispuestos de forma segura en la planta de tratamiento de aguas o en un relleno sanitario.
Los hongos tienen una capacidad importante para sintetizar proteínas, ácidos orgánicos y para ajustarse a condiciones del medio ambiente severas. Los hongos resultan muy eficientes para la degradación de residuos agroindustriales debido a la existencia de enzimas lignocelulolíticas (lacasas, ligno-peroxidasas y manganesoperoxidasas)
Materiales y método
La fase de multiplicación del hongo se hizo en un medio de Agar Papa Dextrosa (APD), el contenido de las cajas de Petri fue inoculado a 500 gramos de trigo esterilizado con una humedad del 65±5%. Para el cultivo en sustrato sólido (lecho fijo) se usó tamo de arroz esterilizado (121 °C a lo largo de 1h) con una humedad del 65±5%; seguidamente se inoculó el tamo con el hongo presente en el trigo (250 gramo trigo en 5 kilogramo de tamo).
El pH ha sido corregido a 6.5 utilizando una solución de CaCO3 y H2SO4. Las vinazas fueron conseguidas de la planta de destilación de alcohol del Talento Providencia (Palmira, Valle del Cauca, Colombia). El porcentaje de decoloración de la vinaza (PD%) se evaluó a lo largo de 36 días. La longitud de onda de alusión escogida para el análisis de decoloración ha sido 475 nm. La muestra inicial ha sido diluida con agua destilada con el fin de minimizar la densidad óptica de la muestra a menos de una unidad. Las mediciones se llevaron a cabo en un espectrofotómetro UV-visible en celdas de cuarzo de 10 mm de trayectoria óptica. El PD% se concluyó utilizando la siguiente ecuación: 
PD(%)=100*(A0-At)/A0
El impacto de la concentración de la vinaza en la eficiencia de decoloración se evaluó en 2 niveles o tratamientos (vinaza sin diluir y vinaza diluida al 70% en volumen) utilizando un diseño empírico completamente al azar que constaba de 6 observaciones para cada grado o tratamiento (Tapie, Prato Garcia, & Sánchez Guerrero, 2016).
Resultados y Discusión
La degradación se puede dar por hongos P. ostreatus cuyas enzimas como lacasas y peroxidasas. La mayor reducción en la absorbancia en las muestras se presentó durante los primeros 7, mayor dilución contribuye a una mejor biodegradación. Las lacasas están asociados a grandes remociones de color y de sólidos totales en el caso de vinazas de caña. Las eficiencias de decoloración obtenidas en este trabajo (80%) son equivalentes a las alcanzadas por hongos del tipo Phanerochaete chrysosporium (85%), Pleurotus shimeji (85%), Ganoderma sp (65%), Aspergillus niger (63%) y Trichoderma reesei (55%) durante el tratamiento de vinazas de caña en condiciones controladas de temperatura. La actividad de las enzimas de 0 a 10 dias es mayor. Luego de este tiempo se reduce su actividad del dia 10 al 30, la reducción marginal en la decoloración observada entre los días 30 y 36 obedece a una reducción de la actividad enzimática, la cual es causada generalmente por la acumulación de subproductos que inhiben la actividad metabólica del hongo.
Se procedió a estudiar el efecto del proceso de tratamiento con P. ostreatus en la eficiencia de remoción de la carga orgánica (DQO, DBO5 y COT).
Los datos mostrados indican una reducción significativa en la DQO (87±3%), en la DBO5 (92±5%) y en el COT (45±3%) de la muestra de vinaza después de 36 días de tratamiento. Hongos del género Aspergillus (niger, niveus, fumigatus) conducen a eficiencias de remoción de color y de materia orgánica del 70% y 80%, respectivamente. Mientras que los ascomicetos (Penicillium, Decumbens, Lignorum) logran reducciones en la DBO5 y del color cercanas al 50%. En el caso del género Pleurotus las eficiencias del proceso de tratamiento son ampliamente variables tanto para la DQO (50-80%) como para la remoción de color (50-95%). También ocurre una disminución considerable de ST y SSV. Lo cual es importante para evitar proliferación de bacterias anaerobias en el fondo por la alta turbiedad.
Ilustración 4 Características de la vinaza antes y después del tratamiento por Pleurotus Ostreatus
Conclusión
El tratamiento con Pleurotus ostreatus y demás clases de hongos mencionados, se convierte en una alternativa viable para la reducción o eliminación del color, para la eliminación de la fracción biodegradable de las vinazas de caña y para la reducción del contenido de sustancias de naturaleza recalcitrante como las melanoidinas y compuestos fenólicos. (Tapie et al., 2016)
BILIOGRAFÍA:
Hutnan, M., Drtil, M., & Mrafkova, L. (2000). Anaerobic biodegradation of sugar beet pulp. Biodegradation, Vol. 11, pp. 203–211. https://doi.org/10.1023/A:1011139621329
Isikhuemhen, O. S., Mikiashvili, N. A., Senwo, Z. N., & Ohimain, E. I. (2014). Biodegradation and Sugar Release from Canola Plant Biomass by Selected White Rot Fungi. Advances in Biological Chemistry, 04(06), 395–406. https://doi.org/10.4236/abc.2014.46045
Tapie, W. A., Prato Garcia, D., & Sánchez Guerrero, H. (2016). Biodegradación de vinazas de caña de azúcar mediante el hongo de pudrición blanca Pleurotus ostreatus en un reactor de lecho empacado. Tropical and Subtropical Agroecosystems, 19(2), 145–150.
Moreno, A. D. (01 de 07 de 2018). Enzimas que degradan carbohiratos y desarrollo sostenible. Obtenido de https://www.sebbm.es/web/es/divulgacion/rincon-profesor-ciencias/articulos-divulgacion-cientifica/2788-enzimas-que-degradan-carbohidratos-y-desarrollo-sostenible