Modelado matemático y simulación para mejorar la producción de butanol en la fermentación ABE

Abstract

La fermentación ABE es un proceso biocatalítico que utiliza un microorganismo para procesar los hidratos de carbono y producir solventes como: la acetona, butanol y etanol. Tanto el Clostridium acetobutylicum como el Clostridium beijerinckii han demostrado ser bacterias útiles para la fermentación ABE y con ellas se han realizado esfuerzos para mejorar su producción, empleando diversos sustratos. Para ello se planeó obtener un modelo matemático de un proceso de fermentación ABE que actualmente se trabaja en la UVa, para simular y optimizar el proceso planteado. El modelo matemático del sistema por vía macromolecular (Modelo I) propuesto, no se ajusta al sistema propuesto debido a que no considera la inhibición del sustrato en la concentración de los productos, ni tampoco la inhibición que produce la concentración de butanol en los otros productos. Por tanto, se utilizó un segundo modelo (Modelo II) basado en el los trabajos de Shinto y otros en 2007, que desarrollaron con éxito el modelo cinético del comportamiento dinámico de los metabolitos (vía metabólica). Se estimaron los parámetros del Modelo II al sistema propuesto, optimizando el proceso de fermentación, y sujeto a ser usado para experimentos fermentativo ABE que maneje como bacteria el c. acetobutylicum y como sustrato la glucosa. Mediante la introducción de inhibición por sustrato, la inhibición del producto de butanol, la activación de butirato y teniendo en cuenta el cese de reacciones metabólicas en el caso de insuficiencia de energía después de agotamiento de la glucosa, del Modelo II se obtiene un resultado de minimización del error entre los datos experimentales y los calculados en el simulador. Después se realiza una optimización de la producción y el mejor valor de la concentración de butanol que se puede obtener es de 16 g/L para la 60 g/L de concentración inicial de glucosa.