Producción de phb a partir de residuos de la industria del biodiesel

GRADO EN BIOTECNOLOGÍA|FACULTAD DE CIENCIAS EXPERIMENTALES

Producción de Polihidroxibutirato
a partir de residuos de la
industria del biodiesel

Autor: Javier Viña González
Tutor: Dra. Mª de la Menta Ballesteros Martín
Junio 2013
Javier Viña González

Producción de Polihidroxibutirato a partir de residuos de la industria del biodiesel

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Agradecimientos

A Salvador Granados García, por contagiarme su pasión,
a Belén Caputto Martos, porque no es lo mismo ser que estar,
a la Dra. Mª de la Menta Ballesteros Martín,
por su tiempo, dedicación y confianza,
a mis compañeros, por amenizar esta etapa,
en especial a Juan Miguel Illán Calado,
sin cuya ayuda nunca podría haber cursado Biotecnología,
a todo el equipo humano de la Universidad Pablo de Olavide,
a mis amigos, por estar,
a mi familia, por creer,
a mi abuelo, por quedarse.

Dedicado a la memoria de José Viña Robles

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Resumen
El polihidroxibutirato (PHB) es un plástico producido por factores bióticos. Este compuesto
representa una de las alternativas más viables frente a los plásticos convencionales. La
producción de PHB ha crecido durante la última década, reduciendo cada vez más su coste
gracias a la introducción de mejoras en el proceso de producción. Se estudiaron posibles
mejoras del proceso tales como el abaratamiento de la materia prima y mejoras en el
procedimiento de extracción. Además, se llevó a cabo una simulación del proceso, así como
un estudio de ubicación y diseño de planta. De la simulación se obtuvo una capacidad de
producción del 0,33% de la producción mundial de PHB. Por último se realizó un análisis de
viabilidad económica que resultó en aproximadamente 7,2 M€ de rentabilidad neta, lo cual
constata que la producción de PHB es un proceso rentable.
Palabras Clave: polihidroxibutirato, PHB, biodiesel, glicerina, Brasil.

Abstract
Polyhydroxybutyrate (PHB) is a plastic produced by organisms. This compound represents
one of the most viable alternatives to traditional plastics. PHB production has increased
during the last decade, reducing its cost through improvements in the production process.
Production process advancements such as the use of cheaper raw material and enhancements
in the extraction procedure have been studied. Furthermore, a simulation of the process and a
study of the location and plant design have been performed. A 0,33% capacity of PHB world
production was achieved by the simulation. Finally, an economic viability analysis resulted in
7,2M€ net profit which confirms the profitability of PHB production.
Keywords: polyhydroxybutyrate, PHB, biodiesel, glycerol, Brazil.

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Tabla de contenido
1.Introducción ............................................................................................................................... 5
1.1 Polihidroxialcanoatos (PHA) ................................................................................................ 5
1.2 Aplicaciones......................................................................................................................... 7
1.3 Síntesis de PHB .................................................................................................................... 7
2.Producción de PHB ..................................................................................................................... 9
2.1 Cepas bacterianas ............................................................................................................... 9
2.2 Materia prima.................................................................................................................... 10
2.3 Fermentación .................................................................................................................... 11
2.4 Extracción y purificación ................................................................................................... 11
2.5 Posibles mejoras del proceso ............................................................................................ 13
3.Diseño del proceso de producción de PHB .............................................................................. 14
3.1 Planteamiento y justificación del proceso ........................................................................ 14
3.2 Ubicación de planta........................................................................................................... 16
3.5.1 Zonas de consumo o Mercados.................................................................................. 18
3.5.2. Disponibilidad de materias primas ............................................................................ 19
3.5.3. Suministro de energía y de combustibles ................................................................. 20
3.5.4. Suministro de agua .................................................................................................... 20
3.5.5. Disponibilidad zonal de mano de obra ...................................................................... 20
3.5.6. Condiciones geográficas y meteorológicas ............................................................... 20
3.5.7. Infraestructura existente y necesidades de completarla .......................................... 21
3.3 Simulación y especificaciones técnicas ............................................................................. 22
3.4 Intrumentación y control .................................................................................................. 24
3.3.1 Sistemas de control del pretratamiento .................................................................... 24
3.3.2 Sistemas de control del acondicionamiento y fermentación..................................... 25
3.3.3 Sistemas de control de la extracción-purificación ..................................................... 26
3.5 Distribución de planta ....................................................................................................... 26
3.6 Análisis del potencial económico ...................................................................................... 29
4.Conclusiones ............................................................................................................................ 32
Referencias .................................................................................................................................. 34
Anexo I......................................................................................................................................... 37
Anexo II........................................................................................................................................ 38

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1.Introducción
Los bioplásticos son una familia de materiales producidos principalmente por
microorganismos. Esta base biológica de los bioplásticos implica que estos sean mayormente
biodegradables. El concepto ”biodegradable“ se aplica a aquellos compuestos que son
asimilables por el medio ambiente a través de su metabolización, llevada a cabo por
determinados organismos. Estos materiales presentan ventajas frente a otros utilizados
convencionalmente y se presentan como una alternativa viable ante estos.

1.1 Polihidroxialcanoatos (PHA)
Los PHA son bioplásticos constituidos por poliésteres lineales formados por
monómeros de hidroxiácidos, es decir, un ácido carboxílico con un grupo hidroxilo y un
hidrocarburo como sustituyente, de manera que el grupo hidroxilo y el carboxilo quedan
unidos por un enlace éster (Fig.1). La estructura general de los PHA se muestra en la Figura
1, donde n representa el número de monómeros (comprendido entre 100 y 30.000) y m indica
el número de átomos de carbono de cada monómero. Entre 3-5 son considerados PHA de
cadena corta (scl-PHA), de 6-14 de cadena media (mcl-PHA) y, por encima de 14, PHA de
cadena larga (lcl-PHA) (Verlinden y cols., 2007; Kunasundari y Sudesh, 2011).

Figura 1. Monómero de PHA

Estos bioplásicos son completamente biodegradables en cortos periodos de tiempo,
generando en su degradación CO2 y H2O. Tienen unas propiedades similares a los plásticos
sintéticos, ya que, al tratarse de materiales termoplásticos pueden ser procesados de igual
forma que polipropileno (PP) y polietileno (PET), dos de los plásticos convencionales de
mayor producción mundial. Además, los PHA son insolubles en agua y no son tóxicos.
Uno de los PHA que presenta mejores carácterísticas como bioplástico es el
polihidroxibutirato (PHB). El PHB es un homopolímero de cadena corta con alta cristalinidad,
rígido y frágil, pero al hilarse en fibras se comporta como un material duro y elástico. Tiene
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una temperatura de degradación térmica de aproximadamente 246 ºC, que aumenta
ligeramente por la presencia de polihidroxivalerato (PHV) en forma de ramificaciones.
(Verlinden y cols., 2007).
Una de las ventajas principales que presentan los PHA es que son respetuosos con el
medio ambiente, no obstante, en la actualidad los productos más explotados son los plásticos
sintéticos derivados de combustibles fósiles, como son el PP y el PET, que no son capaces de
descomponerse de forma natural. La clasificación general de los plásticos se muestra en la
Figura 2. Los bioplásticos aún no son una alternativa económicamente viable frente a los
derivados del petróleo, sin embargo, estos últimos proceden de un recurso limitado. Estos
polímeros sintéticos conllevan además altas emisiones de CO2 a la atmósfera y un alto
consumo energético durante su producción. Los bioplásticos pueden reducir las emisiones de
CO2 respecto a los plásticos tradicionales y reducen la dependencia de los combustibles
fósiles, siendo productos naturales, renovables y biocompatibles (Adkins y cols., 2012).

Figura 2. Clasificación general de los plásticos en la actualidad (Zini y Scandola, 2011).

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1.2 Aplicaciones
Entre las aplicaciones de los bioplásticos destacan los sectores del envasado, la
agricultura (encapsulación de semillas, encapsulación de fertilizantes para una lenta
liberación, contenedores biodegradables para invernaderos), soportes para elementos
electrónicos e informática, telefonía móvil y automoción. Los PHA son usados también para
moldeos por inyección y/o extrusión así como en papel plástico, con los que se fabrican una
gran variedad de productos, tales como cubiertos, bolsas, cajas, objetos de aseo personal,
juguetería, filtros de cigarrillos, etc. Sin embargo, el menor precio de los plásticos
convencionales actualmente dirige a los bioplásticos hacia otras aplicaciones, en las que
presentan ventajas significativas frente a los plásticos tradicionales como el sector médico.
Las propiedades de los bioplásticos (inexistente toxicidad, biocompatibilidad y nula
inmunogenicidad) los convierten en los candidatos perfectos para su utilización en ingeniería
de tejidos, transportadores de medicamentos e implantes, entre otras aplicaciones (Verlinden
y cols., 2007; Chee y cols., 2010).

1.3 Síntesis de PHB
El proceso de síntesis de PHB, en el que se centrará este trabajo, partiendo de acetilCoA, puede resumirse en las siguientes etapas (Fig. 3):
i) Dos moléculas de acetil-CoA que provienen del ciclo de los ácidos tricarboxílicos
(TCA) se condensan para formar una molécula de acetoacetil-CoA, liberando una
molécula de coenzima A. Esta reacción está catalizada por el enzima β-cetotiolasa
(PhaA).
ii) El enzima acetoacetil-CoA reductasa (PhaB) reduce el acetoacetil-CoA a (R)-3hidroxibutiril-CoA gracias a la oxidación de NAD(P)H a NAD(P)+.
iii) En la tercera y última etapa del proceso el enzima PHA sintasa (PhaC) polimeriza
los monómeros de (R)- 3-hidroxibutiril-CoA a polihidroxibutirato o PHB, con la
liberación de la segunda molécula de coenzima A del proceso (Verlinden y cols.,
2007).
La bacteria producirá distintos PHAs en función de la longitud de la cadena
hidrocarbonada entre el grupo carboxilo y a la cadena lateral –R, así como de la longitud de la
propia cadena lateral. De esta forma, en función de la fuente de carbono con la que crezca el
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organismo, el enzima PhaC utiliza como sustratos distintos β-hidroxiaciles-CoA para formar
el poliéster, debido a la poca especificidad de estos enzimas (Verlinden y cols., 2007).
Cuando el organismo está creciendo en condiciones normales y hay suficiente
coenzima A libre, se favorece la formación de acetil-CoA y su entrada en el ciclo TCA para
producir energía. Sin embargo, cuando la entrada del acetil-CoA en el ciclo TCA está
inhibida, por una limitación de nutrientes (nitrógeno mayormente), su exceso se utiliza para la
síntesis de los PHA. De esta forma, cuando el nutriente antes limitante deja de serlo y/o la
fuente de carbono disminuye en el medio, la célula utiliza como reserva los PHA contenidos
en gránulos citoplasmáticos mediante la activación de la PHA-despolimerasa intracelular
(PhaZ). Gracias a este enzima el proceso puede ser reversible, generando acetil-CoA que entra
en el ciclo de TCA para producir energía (Naranjo Vasco, 2010)

Figura 3. Ruta general de síntesis de polihidroxibutirato (PHB) a partir acetil-CoA
(Tanadchangsaeng y Yu, 2012)

La superficie de los gránulos de PHA está recubierta por una capa de fosfolípidos y
proteínas denominadas fasinas, que juegan un papel importante en el número y tamaño de las

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inclusiones. Se piensa que intervienen en la estabilidad de los gránulos citoplasmáticos
(Pötter y cols., 2002).

2.Producción de PHB
La producción de PHB in vivo a gran escala se puede realizar en vegetales o en
bacterias, aunque también se puede llevar a cabo in vitro mediante enzimas libres. El uso de
plantas modificadas genéticamente permite producir PHB utilizando como sustratos dióxido
de carbono y agua mediante fotosíntesis, pero presenta un rendimiento muy pobre, no superior
al 10% en peso seco, y si se intenta aumentar este porcentaje el desarrollo y crecimiento de la
planta pueden verse afectados (Verlinden y cols., 2007).
La alternativa más adecuada es la fermentación de sustratos a través de
microorganismos y, más concretamente, bacterias. Algunas bacterias como Ralstonia
eutropha y Azotobacter vinelandii son capaces de acumular hasta el 90 y 70% de su peso seco
en PHB respectivamente en forma de inclusiones citoplasmáticas en condiciones de
abundancia de fuente de carbono y limitación de nitrógeno, fósforo u oxígeno. Para las células
es un sistema con el que almacenar el exceso de nutrientes sin afectar a su estado osmótico,
por lo que a priori se dificulta la liberación espontánea de estos polímeros al exterior celular.
Los microorganismos utilizados pueden ser nativos, es decir, capaces de producir PHB de
manera natural, o seleccionados mediante ingeniería genética, con mayor rendimiento y rutas
metabólicas modificadas para acelerar la producción (Steinbüchel y Lütke-Eversloh, 2003;
Mejía y cols., 2009; Naranjo Vasco, 2010).

2.1 Cepas bacterianas
Aunque existen más de 250 microorganismos productores naturales de PHB
diferentes, sólo algunos de ellos se han utilizado comercialmente (Tabla 1). Las principales
limitaciones de las bacterias respecto a la producción natural de PHB a escala industrial son la
complicada lisis para la extracción final del polímero, una baja densidad celular y un excesivo
tiempo en alcanzar la máxima densidad. Además, para abaratar los costes de producción surge
la necesidad de utilizar como sustratos o materia prima simple y/o barata, o reutilizar los
residuos de otras industrias.
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Tabla1. Principales bacterias productoras de PHB y porcentaje del peso seco total en PHB (Carlson y
cols., 2005; Mejía y cols., 2009; Naranjo Vasco, 2010; Chee y cols., 2010; Posada y cols., 2010).

Organismo

% PHB peso seco

Ralstonia eutropha

90

Azotobacter vinelandii

70

Burkholderiacepacia

70

Methylobacteriumrhodesianum

50

E. coli

50

Por otra parte, se plantea el uso de cianobacterias para producir PHB utilizando como
sustrato el dióxido de carbono, Methylocystis a partir de metano, y Ralstonia eutropha con
una mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono (Verlinden y cols., 2007).

2.2 Materia prima
Ya que la materia prima en la producción de PHA puede alcanzar un 50% del coste
total, el objetivo es utilizar sustratos baratos que minimicen en la medida de lo posible los
gastos de producción. Para poder competir con los plásticos derivados del petróleo, cuyo
precio es actualmente inferior a 2€/kg, se busca encontrar una fuente de carbono barata,
fácilmente disponible y metabolizable por los microorganismos para la síntesis de PHB. Ante
este problema, la solución más eficaz es reutilizar los residuos de otro tipo de industrias
(Domingo, 2011; Tanadchangsaeng y Yu, 2012).
La glicerina es un subproducto del proceso de refinado de aceites vegetales en la
producción de biodiesel. Las grandes cantidades anuales que se generan de glicerina a partir
de la industria del biodiesel han conducido a una fuerte caída del costo de esta y a la
necesidad de darle salida en el mercado, lo que supone un aliciente para su utilización en la
producción de PHB. Algunos autores han estudiado su utilización y las principales reacciones
que se producen durante el proceso (Fig. 4).

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Figura 4. Reacciones de conversión de glicerina a acetil-CoA (Naranjo Vasco, 2010).

2.3 Fermentación
El proceso industrial de la fermentación a gran escala puede ser de tipo batch, fedbatch, o continuo. La producción por lotes es un sistema discontinuo en el que se favorece la
fermentación al inicio del proceso mediante el exceso de carbono y limitación de algún
nutriente. Generalmente se emplean dos reactores en serie. En el primero de ellos crecen las
bacterias en un medio sin limitación de nutrientes y cuando alcanzan una densidad celular
determinada se transfieren al segundo biorreactor, esta vez sí, con limitación de nutrientes y
exceso de fuente de carbono (Naranjo Vasco, 2010).

2.4 Extracción y purificación
La etapa posterior a la producción del compuesto de interés es la extracción y
purificación del producto, sin duda uno de los procesos industriales de mayor trascendencia,
puesto que de su éxito depende en gran parte los beneficios por venta del producto final. De
manera general el procedimiento a seguir es romper la membrana celular de los
microorganismos para liberar al medio los gránulos de inclusión con PHB en su interior y
disolverlo en otras sustancias para separarlo de la biomasa residual (Naranjo Vasco, 2010).
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Figura 5. Imágenes al microscopio electrónico de barrido (A) y de transmisión (B) de E.coli conteniendo
gránulos de PHB. Las flechas indican roturas de la membrana y lisado espontáneo de los gránulos (Jung y
Cols., 2005).

El proceso de separación más común del polímero consta de cuatro etapas:
Centrifugación para eliminar las impurezas más abundantes, mayoritariamente el medio de
cultivo.
Pretratamiento para debilitar la membrana celular y llevar a cabo la disrupción de una
forma más sencilla. Éste puede ser por calor, álcalis, sales o congelamiento.
Extracción. La mayoría de los métodos de extracción de PHB utilizan disolventes
orgánicos como la acetona, que encarecen el proceso. Otras técnicas incluyen el empleo de
procedimientos enzimáticos. Finalmente, un método que supone un ahorro temporal y
económico, desarrollado en los últimos años, es el empleo de bacterias E.coli que liberan
espontáneamente hasta el 80% del PHB intracelular (Fig. 5) (Jung y cols., 2005).
Purificación. En algunos casos en los que quedan restos de agua, ésta se puede eliminar
mediante un secado (Naranjo Vasco, 2010).

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2.5 Posibles mejoras del proceso
Ya que el PHB tiene un precio más elevado que los plásticos convencionales, es
necesario desarrollar alternativas viables desde el punto de vista económico y tecnológico
para estimular la industria de los bioplásticos y reducir progresivamente la dependencia de los
combustibles fósiles. Los altos costos de producción del PHB se deben fundamentalmente a la
materia prima, que puede alcanzar hasta el 50% del costo total, y a la purificación del
producto. Para optimizar el proceso global, los aspectos del sistema de producción que se
pretenden mejorar son los siguientes:
Utilizar sustratos baratos para reducir los costes de producción. Es posible acoplar la
producción de PHB a una biorefinería, de forma que la materia prima del proceso sea el
subproducto o el residuo de otro (Posada y cols., 2011).
Pretratamiento de la materia prima para obtener la máxima pureza posible.
Mejora genética de microorganismos productores de PHB para aumentar la eficiencia del
proceso fermentativo, el rendimiento de la conversión de los sustratos en PHB y
disminución de los tiempos de operación. Esto se puede conseguir espontáneamente
aislando microorganismos capaces de crecer en el sustrato que va a servir de materia
prima, de forma dirigida mediante ingeniería metabólica y genética, mejorando cepas ya
existentes productoras de PHB o generando nuevas especies (Naranjo Vasco, 2010).
Reducir el coste de la extracción/purificación del producto empleando técnicas sencillas.
Inducción de la liberación externa espontánea del PHB para minimizar los costes de
separación/purificación del producto mediante mejora genética (Jung y cols., 2005).
Disminuir los requerimientos de temperatura y aireación de operación, costes inherentes a
la etapa de fermentación. Reducir la aireación, un proceso muy costoso, empleando
organismos anaerobios o microanaerobios (Naranjo Vasco, 2010;de Almeida y cols.,
2010).
Recircularizar los subproductos obtenidos al final del proceso que puedan ser reutilizados
(Naranjo Vasco, 2010).
Emplear dos fermentadores en serie aumenta la eficiencia del proceso en un 170% con
respecto a la producción en una sola etapa (Naranjo Vasco, 2010).
Inhibir la acción del enzima PhaZ mediante ingeniería metabólica o emplear mutantes
knockout para el gen codificante de este.
Estudios de estabilidad genética y viabilidad celular.
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3.Diseño del proceso de producción de PHB
3.1 Planteamiento y justificación del proceso
El objetivo de este trabajo es plantear formas de optimizar el proceso de producción de
PHB. Se pretende aumentar el rendimiento del proceso, reduciendo los costes y aumentando
su viabilidad económica. Para ello, las mejoras planteadas irán sobre todo dirigidas a reducir
el coste de la materia prima, mejorar el rendimiento de la fermentación y reducir los costes de
extracción-purificación.
El proceso consta de tres etapas bien diferenciadas:
Pretratamiento de la materia prima.
Acondicionamiento y fermentación.
Extracción-purificación del PHB.
Con objeto de reducir los costes derivados de la adquisición de materia prima, se
propone la utilización de glicerina procedente de residuos de la industria del biodiesel. Esta
materia prima, en adelante llamada glicerina cruda, tendrá una composición de: glicerina
(60,05%), metanol (32,59%), NaOCH3 (2,62%), ácidos grasos (1,94%) y cenizas (2,8%),
todos los porcentajes en p/p (Posada y cols., 2010).
Una mayor riqueza en glicerina del medio aumenta el rendimiento de la fermentación
del microorganismo, por lo que la glicerina cruda se somete a un pretratamiento hasta obtener
una glicerina al 98% p/p (Posada y cols., 2010). En este proceso de pretratamiento se
obtendrá metanol como producto secundario, que se comercializará para aumentar la
rentabilidad del proceso. Según describe Cavalheiro y cols., 2009, utilizando un medio
compuesto por glicerina al 93% se obtiene un rendimiento de 0,34g PHB/g glicerina. Se
supondrá este rendimiento del 34% como el rendimiento mínimo de la fermentación de la
glicerina al 98% p/p.
Con el fin de disminuir los costes de extracción se propone emplear la cepa de E.coli
recombinante desarrollada por Jung y cols., 2005, la cual es capaz de liberar el 80% del PHB
intracelular de manera espontánea. Se supondrá que el rendimiento de la extracción es del
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80%. Para generar la cepa recombinante de E. coli MG1655/pTZ18U-PHB, descrita por Jung
y cols., 2005, es necesario adquirir la cepa MG1655 de E. coli a partir de una colección de
cultivos como es la ATCC (del inglés, American Type Cell Culture), tras esto se construye un
plásmido pTZ18U-PHB, que porta los genes phbCAB de Alcaligenes eutrophus y se
transforma la cepa MG1655 con dicho plásmido, seleccionando posteriormente los
transformantes. Por último debe realizarse un stock de esta cepa.
Un paso fundamental a la hora de llevar a cabo la fermentación es adapar la cepa de E.
coli a consumir como fuente de carbono principal la glicerina al 98% de pureza para alcanzar
la conversión máxima a PHB (Fig. 6) (Jung y cols., 2005). De esta forma, el procedimiento
consiste en sustituir de manera progresiva estos sustratos convencionales por la glicerina
durante el escalado, evaluando la tolerancia (Jung y cols., 2005; Naranjo Vasco, 2010).

Figura 6. Rutas anaeróbicas de síntesis de PHB más eficientes utilizando E. coli recombinante (Carlson y
cols., 2005).

Para llevar a cabo el proceso de escalado en primer lugar debe tomarse la cepa
MG1655/pTZ18U-PHB construida y reactivarse, siempre en el medio recomendado por la
ATCC. El primer cultivo se realiza en un matraz de 100 mL utilizando tan solo 18 mL del
medio de cultivo recomendado para evitar la limitación del crecimiento por déficit de O 2 . El
inóculo será de 2 mL. Este cultivo servirá de inóculo para otro cultivo de 180 mL de medio de
cultivo en matraz de 1 L. Este último se utiliza como inóculo para un cultivo de 4,5 L de
medio en un tanque de 6 L. A partir de este momento la aireación es controlada por lo que no
es necesario mantener parte del tanque vacío, no obstante, se utiliza un tanque con 1 L más de
lo necesario para evitar posibles rebosamientos. Durante el proceso de escalado el medio debe
ir sustituyéndose progresivamente desde el recomendado hasta glicerina al 98% (Naranjo
Vasco, 2010).
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Los siguientes escalados tienen las mismas condiciones y proporciones que el anterior.
Al tanque de 6 L le sigue uno de 55 L (50 de medio más inóculo), y a éste un tanque de 600 L.
Éste último es el que sirve de inóculo para un primer fermentador en el que se lleva a cabo
una primera fermentación cuyo objetivo será aumentar la densidad celular. La biomasa
generada en este fermentador se transporta hasta otro de mayor dimensión, en el que se
impondrán las condiciones restrictivas (ambiente anaerobio) que inducirán la acumulación de
PHB intracelular, el cual será liberado espontáneamente gracias a las características de la cepa
construida (Jung y cols., 2005; Naranjo Vasco 2010).
Una vez que la E.coli transformante ha sintetizado y liberado por autolisis el PHB, este
debe ser purificado. Para ello Jung y cols., 2005, propone que, debido a la liberación
espontánea del PHB por parte de la cepa MG1655/pTZ18U-PHB el proceso de purificación
puede ser sencillo, bastando con una simple centrifugación. En la patente desarrollada por
Chen, 2005, se expone un protocolo de purificación consistente básicamente en una
centrifugación, con un rendimiento del 87%. Se estima que este rendimiento se aproximará al
esperado para la extracción que se pretende llevar a cabo.
Puesto que el rendimiento de la fermentación se estima en el 34% (Cavalheiro y cols.,
2009), el de extracción en el 80% (Jung y cols., 2005) y el de purificación en el 87% (Chen,
2005), el rendimiento del proceso global es de:

YPHB = 0,34 ∗ 0,8 ∗ 0,87 = 0,237 𝑔 𝑃𝐻𝐵/𝑔 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎
Para llevar a cabo el proceso se empleará una producción por lotes en modo
discontinuo, ya que, al tratarse de un proceso biotecnológico, las reacciones principales del
proceso son lentas y por tanto los tiempos de residencia son altos. Además, se disponen de
escasas especificaciones técnicas del proceso. Por todo ello la elección de un sistema continuo
no es recomendable.

3.2 Ubicación de planta
Para la elección de la ubicación de la industria se tuvieron en consideración una serie
de factores determinantes para que el proceso sea exitoso. El proceso planteado empleará la
glicerina obtenida como subproducto de plantas productoras de biodiesel como materia prima
para la fabricación de PHB, por lo que el primer paso a la hora de elegir la ubicación de la

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planta de producción de PHB es seleccionar un país en el que la disponibilidad de la materia
prima sea óptima.
Actualmente Europa es la mayor productora de biodiesel mundial, aunque son Brasil y
Argentina los países con una mayor tasa de crecimiento en los últimos años (Tabla 2).
Por otra parte, el gobierno de Brasil impone una normativa que obliga a que todo el
diesel comercializado contenga un 5% de biodiesel, con lo que la producción de este
compuesto se incrementará aún más en los próximos años (Albarelli y cols., 2011).

Tabla 2. Producción de biodiesel en miles de barriles por año mundial, en América Central y Sudamérica
y en Europa, así como los principales países productores de estas regiones (Eia.gov, 2009).
Miles de barriles al día

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Mundial

71.246

124.626

178.830

262.096

309.072

337.760

403.739

Europa

62.060

96.520

122.390

150.690

173.870

183.142

177.690

Alemania

33

52

57

55

45

49

52

Francia

8.400

11.600

18.700

34.400

41

37

34

América Central y

0.544

2.249

11.248

35.828

56.942

85.154

103.249

Brasil

0.013

1.189

6.968

20.057

27.711

41.123

46.058

Argentina

0.200

0.600

3.600

13.900

23.100

36

47.340

Sudamérica

Por ello, Brasil se presenta como una potencia emergente con un futuro muy
prometedor como productor de biodiesel. Por tanto, Brasil (Fig. 7) es un país idóneo donde
ubicacar de una planta con las características deseadas.
Para determinar la región más adecuada para ubicar la planta, se empleará el Método
de cribado, mediante el que se construirán una serie de mapas esquemáticos en los que se
sombreará las regiones que no cumplen los requisitos o factores que se expondrán a
continuación.

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Figura 7. Mapa de Brasil donde se muestran cada uno de los estados que lo conforman distribuidos
según su situación geográfica.

3.5.1 Zonas de consumo o Mercados
Las principales aplicaciones de los bioplásticos en Brasil se centran en embalajes de
comida y bolsas de plástico, y en el sector de la agricultura para el acomodamiento de las
semillas durante su siembra (Fig. 8) (Koller y cols., 2010).
Sin embargo, el sector demandante de bioplásticos que mayor crecimiento en los
últimos años en Brasil es el farmacéutico. Este sector se divide muy desigualmente entre los
distintos estados brasileños, de manera que Sao Paulo y Río de Janeiro comprenden el 56% de
la demanda total de medicamentos mientras que los estados del norte no llegan al 5%.
Además de esto, los estados de Goias, Pernambuco y Ceara son los principales productores de
medicamentos del país. Por tanto se asume que estos cinco estados serán los principales
demandantes de bioplásticos (Fig. 9A) (OSEC Business Network Switzerland, 2010).

18


14%
31%
23%
12%
20%

Bolsas de plástico

Embalaje de alimentos(flexible)

Embalaje de alimentos(rígido)

Productos de consumo

Agricultura

Fig 8. Principales aplicaciones para bioplásticos en Brasil en el año 2009 (Frost & Sullivan,
2010).

3.5.2. Disponibilidad de materias primas
La disponibilidad de materia prima para el proceso, es decir, glicerina, viene
condicionada por la presencia de otras fábricas productoras de biodiesel que generen glicerina
como subproducto. La empresa Petrobras es responsable del monopolio del petróleo de Brasil,
así como de la producción de biodiesel, de manera que existen cinco estados responsables de
la mayor parte de la producción del biodiesel del país (Tabla 3).
Conforme a esto, se construye el correspondiente mapa, en el que se sombrean todas
las regiones brasileñas, excepto las cinco principales productoras de biodiesel (Figura 9B).
Tabla 3. Estados con mayor producción de biodiesel (y por tanto de glicerina) (Petrobras.com,
2011)

Estado

Producción de biodiesel
(millones de litros/año)

Bahía

217,2

Río Grande so Sul

160

Paraná

127

Minas Gerais

108

Ceara

108

19

3.5.3. Suministro de energía y de combustibles
Entre las principales regiones productoras de energía de Brasil destacan Sao Paulo y
Río de Janeiro en el sector del petróleo y el gas natural, este último también es el estado de
mayor producción de energía nuclear. Por otra parte el estado de Paraná es el principal
productor de energía hidroeléctrica, sector en el que Brasil destaca a nivel mundial. Por
último, los estados de Rio Grande do Norte, Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Ceará,
Pernambuco y Bahia destacan en el sector de la energía eólica (Fig. 9C) (Anp.gov.br, 2006).
3.5.4. Suministro de agua
Las principales reservas de agua de Brasil se encuentran en torno al Amazonas,
ocupando regiones eminentemente deshabitadas como Amapá, Roraima, Pará, Amazonas,
Paraná, Mato Grosso y Acre (Fig. 9D) (Lima, 2001).
3.5.5. Disponibilidad zonal de mano de obra
El sureste de Brasil es la región más rica del país, responsable del 58% del Producto
Interior Bruto (PIB), y es donde se concentra la mano de obra más cualificada ya que alberga
las universidades más importantes del país. Entre los estados brasileños con mayor
disponibilidad de mano de obra se encuentran Minas Gerais, Río de Janeiro, Sao Paulo,
Paraná y Rio Grande do Sul (Fig. 9E) (Instituto Interamericano de Cooperación para la
Agricultura, 2004).
3.5.6. Condiciones geográficas y meteorológicas
Resulta necesario establecer una ubicación para el proceso de síntesis de PHB cuya
situación geográfica garantice condiciones meteorológicas favorables, estas son, temperaturas
suaves durante todo el año y precipitaciones moderadas, con esto la productividad será mayor
y se minimizarán costes derivados de subsanar condiciones climáticas extremas. Los estados
que mejor se ajustan a estas características son Ceará, Pernambuco, Goias, Río de Janeiro y
Sao Paulo (Fig. 9F) (INMET - Instituto Nacional de Meteorologia, 2011).

20

3.5.7. Infraestructura existente y necesidades de completarla
El sistema de transporte en Brasil está basado fundamentalmente en carreteras y
autopistas, adquiriendo especial importancia en las regiones más activas económicamente
como Sao Paulo o Rio de Janeiro. Por otra parte, el transporte ferroviario es de gran
importancia en estados como Sao Paulo, Rio de Janeiro, Minas Gerais y Rio Grande do Sul.
Respecto al transporte aéreo, los principales aeropuertos internacionales son el de
Campo Grande, en Rio de Janeiro, el de Guarulhos en Sao Paulo y el de Guararapes en
Recife.
Los puertos más importantes se encuentran en Belem (Pará), Fortaleza (Ceará), Porto
Alegre (Rio grande do Sul), Recife (Pernambuco), Rio de Janeiro (Rio de Janeiro), Santos
(Sao Paulo) y Vitoria (Espirito Santo).
Por último, cabe destacar que los principales núcleos industriales se encuentran en Sao
Paulo, Rio de Janeiro, Rio Grande so Sul, Paraná, Mato Grosso do Sul y Santa Catarina (Fig.
9G) (Nexus Infraestructure, 2011).
De la superposición de los mapas anteriores se obtiene un mapa de Brasil en el que se
aprecian diferentes tonalidades (Fig. 9H). Aquellos estados con una tonalidad más clara son
los ideales para el desarrollo del proyecto, siendo estos Sao Paulo, Paraná y Rio de Janeiro.
Un análisis más detallado concluye que el mejor estado para desarrollar el proyecto
industrial es Sao Paulo ya que, además de ser la región con mayor riqueza y el núcleo
industrial de Brasil, presenta las mejores infraestructuras que facilitan la comercialización del
producto y la mano de obra más eficiente y cualificada, que asegura la obtención de un
producto de calidad.

21


Figura 12. Mapas del método de cribado. (A) Zonas de consumo o mercados. (B) Disponibilidad de materias
primas. (C) Suministro de energía y de combustibles. (D) Suministro de agua. (E) Disponibilidad mano de obra. (F)
Condiciones geográficas y meteorológicas. (G) Infraestructuras existentes y necesidades de completarlas. (H)
Superposición de los mapas del método de cribado.

3.3 Simulación y especificaciones técnicas
Se lleva a cabo una simulación utilizando como herramienta principal el programa
Aspen Batch Process Developer. Dicha simulación se plantea para obtener aproximadamente
el 0,33% de la producción total de bioplásticos, que se estima en 1.000.000 toneladas/año
(Institute for bioplastics and biocomposites, 2012), por lo que se desea producir en torno a
3300 toneladas/año. A continuación se detallan las especificaciones técnicas del proceso,
abarcando desde la etapa de pretratamiento de la materia prima, hasta la purificación del
producto:
1.

El primer paso de la etapa de pretratamiento se pasa una corriente de 197534
kg/ciclo de glicerina cruda a través de una bomba, hasta un evaporador a 144ºC,
con el que se pretende evaporar la mayor parte del metanol, hasta obtener una
corriente de 133093 kg/ciclo de glicerina al 89,1%. Se separa una corriente de
64441 kg/ciclo de metanol al 99,9% (0,1% glicerina). El tiempo de residencia es de
1,5 horas en el evaporador.

2.

A continuación la corriente de glicerina al 89,1% se neutraliza con 678,25 kg/ciclo
de una solución de H2SO4 98% p/p en un tanque de reacción, cuyo tiempo de
residencia es de 2 horas.
22

3.

El contenido del tanque de reacción es centrifugado, descartando el NaOCH3,
proteínas y cenizas. El tiempo de residencia en la centrífuga es de 1 hora.

4.

Posteriormente, la mezcla resultante se lava a razón de 2,4 kg de agua por kg de
glicerina presente en la mezcla en un tanque, eliminando el NaOSO4 producido
durante la neutralización. El tiempo de residencia del tanque es de 2 horas.

5.

El siguiente paso es una segunda evaporación en la que se extrae el 90% del agua.
El tiempo de residencia del evaporador es de 1,5 horas.

6.

Por último se lleva a cabo una segunda destilación, separando la mayor parte del
agua restante en una corriente de agua 100%. Se obtiene una corriente de 121039,8
kg/ciclo, con una composición del 98% en glicerina, 2% en agua p/p. El tiempo de
residencia del destilador es de 2 horas. .

7.

La etapa de acondicionamiento se inicia con la carga de 121039,8 kg/ciclo de
glicerina 98% p/p en un tanque de carga. El tiempo de carga es de 1 hora.

8.

El contenido del tanque de carga se pasa a través de un microfiltro para
esterilizarlo, empleando 2 horas. La corriente de salida se envía a un tanque de
retención.

9.

El 10% del contenido del tanque de retención se envía al fermentador 1 a través de
un intercambiador de calor para enfriar el medio hasta 35ºC, el tiempo empleado es
de 0,5 horas. El tanque de retención también se carga con el inóculo de E.coli.

10. A continuación se lleva a cabo la fermentación en el fermentador 1, a 35ºC, con un
tiempo de residencia de 21h a 35ºC, con aireación de 0,6 kg de aire. Se estima que
no queda medio de cultivo al final del proceso y se considera que no se produce
PHB.
11. El contenido total del fermentador 1 así como el resto del contenido del tanque de
retención, este último a través del mismo intercambiador de calor, se transfieren al
fermentador 2. Se emplea un tiempo de 1 hora.
12. Se lleva a cabo la fermentación en el fermentador 2, en la que se estima un
YPHB=0,34 g PHB/g glicerina. No se considera crecimiento celular. El tiempo de
residencia es de 22,5 horas a 35ºC, sin aireación. Simultáneamente a la
fermentación se produce la extracción del PHB gracias a la lisis espontánea de
E.coli, se estima un 80% de rendimiento de este proceso.
13. Mientras se lleva a cabo la fermentación en el fermentador 2, se inicia el lavado y
esterilización del fermentador 1, acciones en las que se emplean 2 horas.

23

14. Al finalizar la fermentación, el contenido total del fementador 2 es centrifugado,
separando células y glicerina, del PHB obtenido. Se estima un rendimiento del 87%
para este proceso.
15. Por último el fermentador 2 es lavado y esterilizado, empleando 2 horas en ello.
La simulación dio como resultado una producción de 30,02 toneladas de PHB por ciclo
de producción. Mediante la implementación de operaciones unitarias simultáneas se consiguió
reducir el tiempo de ciclo a 79,5 horas, permitiendo un total de 110 ciclos completos al año, lo
que supone un total de 3302 toneladas de PHB al año, muy próximo a las 3300 toneladas que
en un principio se estimaron. El diagrama de flujo y la representación 3D del proceso
generadas a través de la simulación se presentan en los Anexos I y II respectivamente.

3.4 Intrumentación y control
El éxito de todo proceso industrial está determinado en gran parte por la
implementación de un buen sistema de control que permita la correcta regulación de las
variables y parámetros claves asociados a cada una de las operaciones básicas que conforman
el proceso global.
Para ello, es esencial la anticipación a posibles errores del proceso, de forma que el
mecanismo de control debe ser capaz de detectar rápidamente cualquier perturbación sobre las
condiciones de operación establecidas y actuar eficientemente para anular sus posibles efectos
negativos.
3.3.1 Sistemas de control del pretratamiento
En nuestro proceso planteado es esencial que la materia prima sea pretratada
correctamente para asegurar que el producto obtenido tenga la calidad deseada. Por ello, es
importante que el sistema de regulación escogido sea lo suficientemente robusto como para
mantener todas las condiciones operantes bajo los rangos establecidos inicialmente.
En esta etapa de pretratamiento es necesario implementar un sistema de control en lazo
cerrado para el caso de los evaporadores, mediante el cual se consigue regular la temperatura
de estos gracias un mecanismo de apertura y cierre de una válvula que permite un cambio en
el flujo de vapor a través de dichas unidades, de esta forma nos aseguramos de que tanto el
metanol en el primer paso como el agua posteriormente sean evaporadas de forma correcta.

24

A través de la regulación de la temperatura en las columnas de destilación podremos
seguir la composición del caudal en cada uno de los tramos de esta y, de este modo, controlar
que la composición de la corriente de salida del destilador tenga una composición del 98% en
glicerina.
Para controlar que los caudales de entrada no presenten fluctuaciones, se incluirán una
bomba peristáltica, lo que asegurará un flujo de glicerina cruda estable por cada ciclo de
operación. El caudal de entrada de materia prima sin tratar será una de las variables
manipuladas más importante de todo el proceso, por lo que su control es fundamental para
obtener al final PHB de la pureza requerida.
Por otra parte, es necesario que la corriente ácida neutralizante mantenga un grado de
pureza en H2SO4 del 98%. Para controlar que este parámetro no sufre desviaciones
significantes que puedan alterar el proceso, se establece un medidor de pH, de forma que a
través del control de esta variable sea posible detectar cualquier cambio en la composición del
ácido.
Los sistemas de control especificados se implementarán in situ, mediante las sondas
correspondientes.
3.3.2 Sistemas de control del acondicionamiento y fermentación
Una vez ha sido esterilizada, la corriente de glicerina es enfriada en un intercambiador
de calor, cuya temperatura es regulada por el paso de una corriente de agua fría, por tanto, es
vital mantener un estrecho control de la temperatura de este caudal de agua mediante un
sensor de temperatura in situ, conectado a un sistema de retroalimentación o lazo cerrado, ya
que, cualquier desviación de su setpoint puede dar lugar a un pretratamiento inadecuado de la
glicerina. Una temperatura excesiva podría suponer un compromiso para la viabilidad celular
en las etapas posteriores.
Durante los procesos de fermentación, la medida de la presión se llevará a cabo
mediante un manómetro Bourdon. En ambos fermentadores, es necesario controlar la
densidad celular que se alcanza para evitar la saturación del tanque; esto se llevará a cabo
mediante un espectrofotómetro en línea o turbidímetro, que estará conectado al fermentador a
través de una goma que devuelve en forma de recírculo la biomasa medida al interior del
tanque. De esta forma, se controlará la densidad óptica a 600 nm de forma continua lo que
permitirá detectar de forma rápida cualquier anomalía en el crecimiento de las bacterias.
25

También es importante hacer un seguimiento de la cantidad de PHB que es liberado al
medio de cultivo, para poder determinar si las bacterias están liberando espontáneamente de
forma eficiente el producto y si la concentración que se obtiene de este en el medio a lo largo
del tiempo es la deseada. Para ello, se emplea un sistema de cromatografía de gases, y la
cantidad de PHB producida y liberado es cuantificado mediante el método de Braugmer
durante todo el proceso (Naranjo Vasco, 2010).
En ambos fermentadores, las condiciones de operación son muy similares: se requiere
una temperatura de en torno a 35 ºC, para mantener esta temperatura se necesita una camisa
de refrigerante alrededor del reactor. La temperatura se monitoriza mediante una sonda in situ,
conectada a un sistema de control cuyas acciones van dirigidas a variar el flujo de refrigerante
a través de la camisa. También se emplearán sendas sondas de pH in situ conectadas a
sistemas de control cuyo setpoint es de pH=7, este sistema de control actuará sobre una
bomba peristáltica que añadirá ácido o base fuerte al fermentador en función de las
variaciones de pH que se produzcan en este.
3.3.3 Sistemas de control de la extracción-purificación
En la última etapa del proceso se extrae una corriente del fermentador donde está
ocurriendo la bioconversión y se centrifuga para separar los compuestos sólidos, que
contendrá el producto de interés PHB junto con restos celulares. La centrífuga dispone de un
sistema de refrigeración con objeto de controlar la temperatura a la que opera, ya que el PHB
obtenido puede degradarse si la temperatura sube en exceso.
La extracción global y la pureza son calculadas a partir de análisis de cromatografía de
gases por el método de Braugmer (Naranjo Vasco, 2010).

3.5 Distribución de planta
Se decide diseñar una distribución por producto de la planta de producción ya que,
gracias a esta, se consigue un mayor aprovechamiento de la superficie de las instalaciones, lo
cual es importante debido al gran tamaño de los equipos a emplear. Por otra parte, los
materiales se desplazan de una unidad a otra, reduciendo al mínimo la circulación de estos así
como su manipulación, ello es importante para preservar la calidad del producto y aumentar la
automatización, disminuyendo los costes por mano de obra. La distribución de planta por

26

producto se caracteriza por su escasa flexibilidad, no obstante, el proceso diseñado se orienta
únicamente a la producción de PHB, por lo que dicha flexibilidad es prescindible.
A continuación se muestran un total de tres distribuciones de planta, la primera de
ellas corresponde a la planta baja del edificio (Fig. 10), la segunda a la planta primera (Fig.
11) y la última al tejado de las instalaciones (Fig. 12). Por tanto las instalaciones constan de
un total de dos pisos. En la distribución se representan una zona de carga de las materias
primas (A) y una zona de salida de los productos (F). La zona de maquinaria (D) ocupa las
dos plantas del edificio, esta se subdivide en tres zonas de operación, zona de pretratamiento
(D1), zona de acondicionamiento y fermentación (D2) y zona de extracción-purificación (D3).
Las instalaciones cuentan, además, con una sala de almacenaje (E) donde se encuentran los
tanques de los productos, residuos y depósito de agua. En la planta baja también encontramos
el laboratorio (G). La entrada consta de un recibidor (L) a través del cual se accede a los
vestuarios masculino (J) y femenino (H). A través de estos se accede a los respectivos baños
para el personal, el masculino (K) y el femenino (I). Por la entrada también accedemos a la
zona de descanso (M). En los exteriores de las instalaciones encontramos un jardín (B) y el
aparcamiento (C). La entrada consta también de una escalera (O) a través de la cual se accede
al primer piso así como de un ascensor (N). En el primer piso encontramos el despacho de
dirección (Q) y sala de reuniones (P). A través del pasillo accedemos a la enfermería (R) y a
la cocina-comedor (S). Por último, en el tejado del edificio podemos ver las salidas de gases
instaladas (T).

27


Figura 10. Distribución de la planta baja.

Figura 11. Distribución de la planta primera.

28


Figura 12. Distribución del tejado.

3.6 Análisis del potencial económico
El sector de los bioplásticos se representa un camino viable hacia la producción de
plásticos no procedentes de combustibles fósiles. Este hecho se ha constatado en gran medida
al involucrarse grandes compañías del sector en asociaciones de productores y proveedores de
bioplásticos (Fig. 13).

Figura 13. Evolución del número de empresas de bioplásticos hasta 2007 (Ecoembes, 2007).

29


Los puntos de interés en cuanto a aplicaciones de bioplásticos se centran en los
sectores de los embalajes, medicina, agricultura y productos desechables (Tabla 4). Sin
embargo, con el avance de esta industria se ha ampliado la utilización de biomateriales,
aplicándose también en teléfonos móviles, ordenadores, y dispositivos de audio y vídeo. Se
estima que el 10% de los plásticos que actualmente se emplean en la industria electrónica
pueden ser reemplazados por biopolímeros (Ecoembes, 2007).
Tabla 4. Resumen de biomateriales desarrollados y sus aplicaciones genéricas (Ecoembes, 2007).
Compañía

Producto registrado

Polímero

Aplicaciones de mercado

BASF

ECOVIO

Ecoflex + PLA

Bolsas de mercado

NOVAMONT

Mater-Bi Origo-Bi

BBT-AG

Biopar

Ecoflex + PLA

Bolsas de mercado, film

TELLES

Mirel Natural Plastic

PHA

Películas y moldeo

Du Pont

Sonora

PDO

Fibras textiles

FKUR GMBH

Bioflex

PLA + Poliéster

Film

Biopearls

Biopearls

PLA

PHA-PHB Poliésteres
biodegradables

Film envolver

Moldeo

Respecto al mercado de polihidroxialcanoatos en particular, modelos como el de la
compañía estadounidense Metabolix, que ha logrado altas velocidades de producción
consiguiendo tiempos de fermentación inferiores a 40 horas y continúa investigando para
aumentar la rentabilidad económica del proceso, son claros ejemplos de que estos materiales
pueden ser una alternativa importante a los plásticos convencionales (Naranjo Vasco, 2010).
En la Tabla 5 aparecen importantes empresas productoras de PHB y algunas de sus
características de interés.
El objetivo del proceso es proporcionar el 0,33% de la producción mundial de
bioplásticos. Puesto que la producción mundial es de aproximadamente 1.000.000 de
toneladas anuales de PHB (Institute for bioplastics and biocomposites, 2012), el proceso se
diseña para producir 3.300 toneladas de PHB al año. Para alcanzar este nivel de producción es
necesario emplear aproximadamente 21729 toneladas de glicerina cruda al año. El precio de
esta materia prima se sitúa en 0,0369 €/kg (The Jacob Sen, Thejacobsen.com, 2013).

30

Tabla 5. Principales productores de PHB y precio de venta del producto (Naranjo Vasco, 2010).
Producto

Compañía

Sustrato

Biomer

Biotechnology Co.,Germany

Sacarosa

Biocycle

PHB industrial S/A company, Brasil Caña de azúcar

Precio (€/kg)
20€kg (2003)
3-5€/kg (2010)

Producción (t/año)
50 (2003)

10-12€/kg (2003)

1400 (2003)

2,5-3€/kg (2010)

600000(2010)

Biogreen

Mitsubishi GAS Chemical, Japón

Metanol

2,20€/kg (2010)

-

P(3HB)

Metabolíx, EE.UU.

-

-

-

También se consumen 74,6 toneladas de H2SO4 al año aproximadamente, cuyo precio
está en torno a los 0,25 €/kg. El precio de la cepa de E.coli se supone despreciable así como la
aireación y el resto de elementos no citados.
Durante el proceso de generan 7088,5 toneladas de metanol al año. El precio de venta
del metanol ronda los 0,33 €/L, es decir, 0,26 €/kg (Methanex, mayo 2013), por lo que se
plantea un precio de venta más competitivo, en torno a 0,20 €/kg.
El precio más bajo al que es vendido el PHB es de 2,20 €//kg, impuesto por la empresa
Mitsubishi GAS Chemical (Japón) en el año 2010 (Tabla 5) por lo cual, se fija un precio de
venta de mayor competitividad, de 2,00 €/kg PHB. El resultado de la simulación indica que se
generarán 3302 toneladas al año.
El potencial económico (PE) , definido como la diferencia entre los ingresos estimados
por ventas y el coste de las materias primas, del proceso es el siguiente:
𝑃𝐸 = 𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 − 𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑠
𝑃𝐸 =

3302000 𝐾𝑔 𝑃𝐻𝐵 2,00€
7088500 kg 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
0,20€
∙
+
∙
𝑎ñ𝑜
𝑘𝑔 𝑃𝐻𝐵
𝑎ñ𝑜
𝑘𝑔 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
−

21729000 𝐾𝑔 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎
0,0369 €
∙
𝑎ñ𝑜
𝑘𝑔 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎

−

74600𝐾𝑔 𝑠𝑢𝑙𝑓ú𝑟𝑖𝑐𝑜
0,25€
∙
= 7.201.250 €/𝑎ñ𝑜
𝑎ñ𝑜
𝑘𝑔 𝑠𝑢𝑙𝑓ú𝑟𝑖𝑐𝑜

31

Como se puede observar, se obtiene un potencial económico positivo para el proceso,
lo cual indica que el proceso, a priori, es económicamente viable.

4.Conclusiones
Los bioplásticos representan una fuerte alternativa frente a los plásticos
convencionales, procedentes de recursos limitados. Concretamente el PHB presenta
características excelentes tales como su biodegradabilidad, baja toxicidad y resistencia, que lo
sitúan como el material idóneo para la explotación del mismo por determinados sectores,
como el farmacéutico, la agricultura, la medicina o la electrónica.
A pesar de sus excelentes propiedades, el menor costo de los plásticos convencionales
sitúan al PHB en un segundo plano en el mercado. No obstante, las recientes investigaciones
sobre nuevas materias primas más baratas, cepas bacterianas más eficientes y sistemas de
extracción-purificación menos costosos están acercando cada vez más el precio de este
material al de los plásticos fósiles.
Mediante el empleo de un sustrato barato tal como es la glicerina procedente de la
industria del biodiesel se consigue un gran ahorro económico, aumentando la rentabilidad del
proceso. Por otra parte, el empleo de una cepa de E.coli modificada genéticamente, con un
buen rendimiento de producción de PHB y capaz de liberar este espontáneamente al medio
redujo significativamente los costes de purificación y extracción, aumentando además el
rendimiento global del proceso ya que la centrifugación es un proceso relativamente barato si
se compara con los métodos convencionales, basados en disrupción mecánica, enzimática o
química y en extracciones con solventes, generalmente caros.
Se opta por una producción en discontinuo por lotes, debido a la larga duración de las
fermentaciones, con altos tiempos de residencia y grandes volúmenes.
Mediante simulación se consiguió reducir el tiempo de ciclo gracias al diseño de
etapas simultáneas del proceso, lo cual reduce los tiempos muertos, aumentando el
rendimiento global del proceso.
A través de sistemas de instrumentación y control se pretende controlar las variables
del proceso, impidiendo que perturbaciones de estas puedan afectar al rendimiento del
proceso.
32

Con objeto de optimizar el aprovechamiento de las instalaciones, se optó por una
distribución de planta por producto, minimizando así la circulación de materias primas y
productos, garantizando la pureza de estos y mejorando la automatización, lo cual, a la larga,
supone una reducción de los costes por mano de obra cualificada.
Un análisis detallado de la producción de biodiesel mundial permite establecer a Brasil
como el país de preferencia para la situación del proceso, basado en el empleo de glicerina
procedente de la industria del biodiesel, de la cual se prevé que Brasil sea la principal potencia
en un periodo de tiempo relativamente corto.
Por otra parte, mediante el método de cribado se establece Sao Paulo como el
emplazamiento idóneo para situar la planta, debido a su excelente disponibilidad de mano de
obra, materia prima, red de transportes, clima etc. Todo ello permite un mejor
aprovechamiento de los recursos y una reducción de los costes del proceso.
Por último, el análisis económico puso de manifiesto que mediante la propuesta de
mejoras de la producción de PHB referentes a la materia prima y al proceso de extracciónpurificación, puede obtenerse un proceso productivo económicamente rentable.
Como posibles estudios futuros se proponen la recirculación de la glicerina a la salida
del fermentador, con objeto de reducir aún más los costes por adquisición de materia prima.
También se plantea un estudio de la capacidad autolítica de otros organismos diferentes a
E.coli, que presenten una mayor acumulación en peso seco de PHB con el objetivo de
aumentar el rendimiento global del proceso.
Así mismo, se plantea el estudio de mutantes que presenten defectos en las proteínas
de la cubierta de los gránulos, también denominadas fasinas, con el fin de observar el efecto
de estas mutaciones sobre la liberación de los gránulos.
Por último se propone el estudio de cultivos mixtos de diferentes especies
microbiológicas que puedan producir un efecto sinérgico que aumente el rendimiento del
proceso (Verlinden y cols., 2007).

33


Referencias
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Anexo II

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Producción de phb a partir de residuos de la industria del biodiesel

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