Sorbitol

Sorbitol

78

nº

Laura Moreno - Vanessa Velandia - Felipe Gómez - Carlos Herrera - Javier Giron

Dolor sit amet

Metabolito

Agente biologico productor

Índice de contenidos

Plantemamiento del bioproceso

Bioproducto

Estructura química del sorbitol

Usos e impactos del sorbitol

Metabolito: Sorbitol

Síntesis química

Síntesis biológica

Paises productores

Cantidad producida anualmente

¿Qué es el Sorbitol?

El sorbitol es un alcohol que se encuentra naturalmente en frutas y plantas. Es un azúcar menos dulce que la sacarosa y contiene menos calorías que esta. Actúa como humectante, estabilizante, excipiente, entre otras. Se produce químicamente y biológicamente como metabolito primario.

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Usos e impactos

La produccion de sobitol se ubica en Asia y paises Europeos, que se llevan la demanda global que esta actualmente en crecimiento debido a la necesidad de varias industrias, por ejemplo en la industria alimenticia ayuda a reemplazar la sacarosa, sin embargo su uso tambien tiene efectos secundarios.

En cuanto a su producción actualmente se hace la mayor parte por metodos quimicos que utilizan metales pesados como catalizadores que elevan el costo de purificación y generan residuos contaminantes, por otra parte se esta buscando la inclusion de materias primas como biomasa compuesta por celulosa y hemicelulosa.

Fuente: (B. Silva et al, 2019)

Síntesis Química

2. Producción de sorbitol a partir de la celulosa presente en la biomasa lignocelulósica. Fuente: (B. Silva et al, 2019) .

1. Hidrogenación catalítica de glucosa.

• Materia prima: Biomasa lignocelulósica (Compuesta por celulosa, hemicelulosa, lignina) Ej: bagazo de caña de azúcar.
• Condiciones generales: T altas, altas presiones de H2, medios de reacción y catalizadores ácidos.
• Método: Hidrogenólisis o hidrogenación hidrolítica.

Fuente: (Air liquide, 2020)

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Síntesis Biológica

Algunos métodos...

• Producción de sorbitol por células permeabilizadas e inmovilizadas de Z.Mobilis.

• Síntesis de sorbitol por Zymomonas Mobilis bajo alta presión osmótica.

• Producción de sorbitol fotosintéticamente por medio de cianobacterias Synechocystis PCC 6803.

• Obtención de sorbitol por medio de una bacteria ácido láctica Lactobacillus plantarum utilizado fructosa.

Para este caso el sorbitol se sintetiza por medio de bacterias como Z.mobilis, cianobacterias y otras acido lácticas, se hace por medio de rutas metabólicas en su etapa de crecimiento y en algunos casos como respuesta a estrés sufrido por el medio, ellas toman los azúcares como sacarosa y otros reductores como fructosa, dependiendo de esto hacen la producción intracelular o en algunos casos terminan liberando el producto al medio de cultivo.

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Principales paises productores de Sorbitol

Principales empresas productoras de Sorbitol

Fuente:B. Silva et al, (2019)

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Comparación entre el Sorbitol y Xilitol

Así como el sorbitol tiene bastantes aplicaciones tiene un competidor en el mercado que es el xilitol y haciendo referencia a esto en un estudio financiero hecho por Rosales se habla de las ventajas individuales y grupales de estos dos polioles, entre las grupales se puede decir que los dos tienen una amplia gama de aplicaciones, tienen procesos simplificados de producción tanto química como biológicamente, provienen de recursos renovables como el bagazo de caña de azúcar por otro lado las ventajas del xilitol es que económicamente es más rentable y asequible que el sorbitol por ende como se observa en las gráficas tiene mayor producción anual, por otro lado se han desarrollado más rutas de producción en especial la biológica, en cuanto al sorbitol tiene menor índice glucémico que el xilitol por ende la industria alimentaria lo prefiere y mejor proyección en el mercado a futuro ya que está en crecimiento su producción a base de los subproductos de otras industrias y la ruta biológica por esto es difícil encontrar información sobre la producción por microorganismos.

Comparativo entre microorganismos productores de sorbitol

Agente biologico productor

Caracteristicas del microorganismo Z.mobilis

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A partir de la comparación anterior se escoge la bacteria Zymomonas mobilis debido a que no necesita luz como fuente de energia, la temperatura y pH óptimos que maneja son relativamente bajos, posee las enzimas necesarias para el proceso y se pueden permeabilizar las celuas con el fin de recuperar más facilmente el producto. Además de que su fuente de carbono será principalmente obtenida de la glucosa del residuo.

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Zymomonas mobilis

• Fuente de carbono y energía: glucosa y NH3 (Nutrientes usados en la bibliografía (NH4)2SO4, KH2PO4, K2HPO4, MgSO4, 7H2O, peptona de caseína, extacto de levadura)
• Sintesis del sorbitol:
• Producción de sorbitol por células permeabilizadas e inmovilizadas de Zymomonas Mobilis.
• Síntesis de sorbitol por Zymomonas Mobilis bajo alta presión osmótica.

• Caracteristicas:
• Género: Zymomonas.
• Especie: Mobilis
• Proteobacteria
• Procariotas
• Bacilo gramnegativo
• Anaerobia facultativas
• Mesófila: crece entre 25°C y 40°C su temperatura óptima está entre 30°C a 35°C
• Es acidófila puede encontrarse hasta en un pH de 3,5 pero el óptimo es de 5 a 6,5
• Puede crecer medios con concentraciones elevadas de azúcares se han reportado valores de 460 g/l.
• Halotolerante.
• Aw >0.75 (Optimo 0.95)

Medio de cultivo

Diagrama bioproceso

Planteamiento del Bioproceso

Cuadro comparativo

Parámetros cinéticos

Caracterizacion del bioproceso

Biorreactor

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Bagazo caña de azúcar

SEGÚN ATLAS DE POTENCIAL ENERGÉTICO

Producciones anuales y características químicas

Pulpa de café

2'799.866 Ton/año (2019)

426.583 Ton/año (2019)

Banano de rechazo

Mucílago de café

145.359 Ton/año (2019)

250.000 Ton/año (2020)

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SEGÚN ATLAS DE POTENCIAL ENERGÉTICO

Haciendo un breve comparativo analizamos que el bagazo de caña de azúcar tiene una cantidad amplia de celulosa y hemicelulosa, la cual favorece la producción de azúcares fermentables y la obtención de glucosa. Además de su favorable composición química es la que se produce en mayor cantidad en el país llegando para el 2019 a una producción de 2'799.866 Ton/año. Con todo lo anterior en mente, se seleccionó como materia prima el bagazo de caña de azúcar para la producción de sorbitol.

Producciones anuales y características químicas

Cascarilla de arroz

1'268.223 Ton/año (2018)

En base al "Atlas de potencial energético se seleccionaron 5 tipos de biomasa residual (pulpa de café, mucílago de café, bagazo de caña de azucar, banano de rechazo y cascarilla de arroz)con el objetivo de analizar su composición química y analizar qué biomasa puede suministrar y dar mejores resultados para la producción del metabolíto de interés (sorbitol).

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Nutrientes diferentes a los azúcares que se pueden obtener a partir de esta materia prima

Composición química y mineral de los subproductos de la agroindustria de la caña de azúcar. Laboratorio de Nutrición Animal de la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA), Tibaitatá, Colombia. 2017.

Chemical and mineral composition of the by-products of the sugarcane agro-industry. Animal Nutrition Laboratory of the Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA), Tibaitatá, Colombia. 2017.

(Lagos & Castro, 2019)

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¿Qué medio de cultivo se utiliza?

Se encontraron varios autores que mencionaban distintos tipos de cultivos, sin embargo, se selecciona este en el cual se utilizan salen para poder cumplir con todos los micronutrientes que necesita el microorganismo para permanecer en el proceso en buenas condiciones.El medio de cultivo debe tener por cada litro de agua esterilizada una cantidad de ciertos compuestos, a continuación se muestra una tabla donde se resume con qué se adecua el medio de cultivo.

¿Cuál es la principalfuente de carbono?

La principal fuente de carbono que necesita el medio según lo mencionamos en los rendimientos y en otros aspectos es la glucosa principalmente.

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Otros medios de cultivo

A continuación verá la formulación del medio de cultivo de tres estudios diferentes. A pesar de ser diferentes estudios, en su mayoría usan los mismos compuestos para cumplir los requerimientos nutricionales del microorganismo.

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Parámetros cinéticos

Fases de crecimiento

Fase en la que Z.mobilis secreta el sorbitol

La Z.mobilis pasa por las cuatro fases de crecimiento si comparamos la imagen de la izquierda con la de la derecha donde la curva de los triangulos invertidos representa la biomasa con respecto al tiempo podemos observar la fase de latencia donde casi no se produce sorbitol, despues de esta se encuentra la fase exponencial despúes se observa como empieza la fase estacionaria y aqui se detiene, la fase de muerte no se representa ya que para este proceso no es necesaria.

En la siguiente curva hecha por Viikari, 1984 se puede observar que la concentración sorbitol aumenta con el tiempo e inicia como cero después la concentración crece exponencialmente y después se estabiliza, debido a esto se puede decir que el sorbitol es un metabolito primario y que la Z.Mobilis lo secreta en la fase de crecimiento.

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Rendimentos

Rendimiento biomasa sustrato

Constante de afinidad por sustrato

En el estudio realizado por Cazzeta et al sobre la optimización en la producción de sorbitol por medio de Z.mobilis usando como sustrato melaza se evaluaron diferentes condiciones en el proceso en cuanto a la concentración de azucares fermentables, T, rpm y tiempo de fermentación, como se puede ver en la tabla en la parte inferior, en cuanto a los resultados obtuvo el mayor rendimiento producto sustrato(0,2 g/g) a una temperatura de 25°C, una concentración de 250 g/l de azucares reductores y en un tiempo de 24 horas. El rendimiento se afectó fuertemente a mayor concentración de sustrato y el tiempo.

Para el caso del rendimiento biomasa sustrato se encontró en la investigación realizada por Changjun Liu et al. Ellos hicieron la primera corrida para cuatro concentraciones iniciales de glucosa y la segunda variando el pH entre 4-4 a una concentración de 100 g/l de glucosa, el mayor rendimiento fue de 0,054 g células/g glucosa a una concentración de 50 g/l de glucosa con un pH de 5,5 con una tasa de crecimiento máximo de 0,34 h-1 y un tiempo de 12.5 h, también se puede observar que a mayor concentración glucosa menor rendimiento y en cuanto al pH el óptimo sería de 6.6.

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Cinética

Articulo tomado: Modelamiento de la producción de etanol utilizando Zymomonas mobilis como microorganismo fermentativo.

Este valor también se puede comprobar, ya que los investigadores se tomaron el trabajo de realizar la gráfica de Michaels-Menten donde se grafica de la variación de la velocidad específica del consumo de sustrato, con respecto a la velocidad de reacción. Y sabemos que la velocidad máxima esta en el ultimo punto de esta gráfica, a su vez la constante de Km se puede calcular si dividimos la velocidad máxima entre dos y leemos el valor concentración de sustrato en ese punto como se puede ver a continuación:

Este articulo nos habla acerca del uso de los microorganismos Zymomonas mobilis y S. cerevisiae para la producción de etanol aunque no es sorbitol si tenemos el mismo microorganismo y sustrato. Lo que se quiere es producir una vía fermentativa siendo posible emplear la Z. mobilis debido a los ventajes que presenta para llevar a cabo el proceso, como lo es altas velocidad especificas de consumo de sustrato y producción de etanol, rendimientos de etanol cercanos a los máximos teóricos con baja formación de biomasa. El valor de la velocidad especifica de crecimiento ⴜMax corresponde a:

Constante de afinidad por sustrato

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Rendimentos

Velocidad específica de crecimeinto

En la siguiente gráfica, también se puede ver el comportamiento de la concentración de sustrato, para la producción de etanol y biomasa, donde podemos obtener el valor del sustrato que se uso en este proceso.

Sustituyendo

Teimpo de duplicación(td)

Y teniendo ya la velocidad, podemos hacer cálculo del tiempo de duplicación el cual es:

Ya teniendo el valor del sustrato podemos proseguir al cálculo el valor de la velocidad como lo estipula la ecuación de Michaels-Menten que es:

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Estequiometría y rendimientos

Estequiometria de la reacción para la obtención del metabolito

Fuente de Carbono + Fuente de Nitrógeno Biomasa + CO2 + H20 + Productos C6H12O6 + NH3 CH 1,72 O 0,41 N 0,23 + CO2 + H20 + C6H14O6 C6H12O6 + aNH3 b CH 1,72 O 0,41 N 0,23 + c CO2 + d H20 + e C6H14O6 Balance de nitrógeno a= 0,23 b Balance de carbono 6= b + c + e6 Balance de hidrógeno 12+ a3= 1,72b + 2d + e14 Balance de oxígeno 6= 0,41b + 2c + d + 6e

a= 0.0736b= 0.32c= 0.4528d= 0.264e=0.8712

Rendimiento biomasaYxs = 0.042Rendimiento de los productosYps = 0.87

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TIPO DE BIOREACTOR

Por otro lado Jonas, R., & Silveira, M. M. (2004) afirman que 80% del sorbitol producido es en modo batch .

Como componentes básicos que podemos encontrar en el bioreactor tenemos los siguientes:

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Condiciones de fermentación

Fermentación por inmovilización de Z.Mobilis

¿Cómo se hace la inmovilización?

Valores óptimos y condiciones de propagación de biomasa y fermentación, y tiempos de incubación

A continuación verá la formulación de diferentes modos de fermentación en diferentes estudios. A pesar de ser diferentes estudios, en su mayoría usan condiciones similares de fermentación para el microorganismo.

Otras formas fermentación

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Primera parte UPSTREAM

Desarrollo del inòculo

ver

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Bioproceso

5. Se hace un lavado para eliminar los posibles inhibidores presentes y no contrarestar la hidrólisis enzimática.6. Se realiza la hidrólisis enzimática para lograr obtener a partir de la celulosa y hemicelulosa monómeros que son los azúcares que pueden fermentarse. Dawntream 1. Fermentación con Zymomonas Mobilis para la obtención de sorbitol. 2. El producto de la fermentación se pasa a través de una serie de columnas de adsorción (con carbón activado) para eliminar el color, el olor y las impurezas orgánicas 3. Para obtener una solución comercial de sorbitol al 70% se debe evaporar en condiciones de vacío. 4. Se hace una cristalización del producto de la evaporación. 5. Finalmente una molienda final para obtener el tamaño deseado de partícula para el sorbitol.

Breve descripción del bioproceso

Pre-tratamiento1. Se hace un secado del bagazo a una temperatura apróximada de 35°C.2. Se utiliza un molino para reducir el tamaño del bagazo, proporcionando facilidad a los procesos posteriores. 3. Se hace un tamizado para solo obtener partículas inferiores a 2mm que sería el tamaño ideal para el proceso. 4. Se hace una deslignificación con el proceso de "Explosión a vapor" se produce una descompresión súbita del material que provoca el resquebrajamiento de las estructuras lignocelulósicas por la expansión repentina que experimenta el vapor de agua condensado en el interior de los poros del substrato.

Presentación y valor.

Bionegocio

Bioproducto

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Bionegocio

Presentación

Con el planteamiento de este bionegocio se busca darles un mejor provecho a los residuos del bagazo de caña de azúcar, usándose como fuente de nutrientes para el microorganismo y así obtener el metabolito de interés que en este caso es el sorbitol. Entre otras cosas también encontramos: • Fomento de una economía circular • Uso sostenible del capital natural • Enfocar la atención de grandes inversionistas interesados en el sector que apoyen el bionegocio • A su vez se tienen en cuenta 2 ODS muy importantes.

En Solución 70% el costo en plataformas como Merck es de 38,83 USD para 100 ml y 133,76 USD para 500 ml.

En Cristales donde con una pureza de >98% desde 100 g (23,67 USD) hasta 10 Kg (285,27 USD) este se usa para biología molecular, en Colombia 1 Kg cuesta $240.000, la mayor pureza en la que se encuentra es de 99%(5g cuesta 33,62 USD, 100g cuesta 56,82),

Referencias

Ejes estratégicos

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Title 1

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