universidad de costa rica facultad de ingenier/a escuela de ingenier

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA
FACULTAD DE INGENIER/A
ESCUELA DE INGENIER/A QU/MICA
HIDRÓLISIS TÉRMICA DEL BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR PARA LA PRODUCCIÓN DE
ETANOL V ~ AFERMENTACIÓN
Proyecto de graduación sometido a la consideración de la Escuela de Ingeniería Química
como requisito final para optar por el grado de Licenciatura en Ingeniería Química
MARJORIE HERRERA MONTO YA
Ciudad Universitaria "Rodrigo Facio"
San José, Costa Rica
2005
'Consen/a en tu memoria durante el resto de tus días
las cosas buenas que surgieron de las dificultades.
Ellas serán una prueba más de tu capacidad,
y te infundirán confianza ante cualquier obstáculow
PAULO COELHO
PROYECTO DE GRADUACIÓN SOMETIDO A LA CONSIDERACIÓN DE LA ESCUELA DE
INGENIER~AQU~MICACOMO REQUISITO FINAL PARA OPTAR AL GRADO DE
LICENCIATURA EN INGENIER~AQU~MICA
Sustentante: lMARJORIE HERRERA MONTOYA
Aprobado por:
MSc. Alexander Vasquez Calvo
Escuela de lngenieria Quimica, U.C.R.
Presidente del Tribunal
Ing. Manuel Molina Córdoba
Escuela de lngenieria Quimica, U.C.R.
Director del Proyecto
Dr. Eduardo Rivera Porras
Escuela de lngenieria Quimica, U.C.R.
Miembro Lector
Ing. Esteban Duran Herrera
Escuela de lngenieria Quimica, U.C.R.
Miembro Lector
Ing. Adolfo Ulate Brenes
Escuela de lngenieria Quimica, U.C.R.
Miembro Lector
RESUMEN
El objetivo general de esta investigación fue el producir etanol como combustible utilizando
Sacharomyces cerevisiae, a partir del bagazo de caña de azúcar hidrolizado térmicamente.
El bagazo de caña utilizado para el desarrollo de la etapa experimental se adquirió en la Cooperativa
h de
Victoria R.L., en Grecia. La composición de dicha materia prima es 48,5 % de sólidos, 51,5 O
humedad y un 2,99 OO/ de cenizas.
En un principio el fin del estudio de la hidrólisis térmica fue determinar las mejores condiciones para la
producción de etanol; sin embargo esta perspectiva cambió, al encontrarse que las concentraciones de
glucosa obtenidas al hidrolizarse térmicamente el bagazo fueron inferiores a 2 glL en todos los casos.
Con estos valores de glucosa, la fermentación anaeróbica se lleva a cabo con dificultad.
Al presentarse este inconveniente, se tomó la decisión de replantearse el fin de este proceso de
hidrólisis térmica. El estudio se concentró en producir etanol tanto en recipientes pequeños como en
erlenmeyers, así como en un reactor de 5 L y encontrar algún comportamiento o tendencia del bagazo
de caña al hidrolizarse térmicamente.
Entre las variables estudiadas para determinar el comportamiento ante la hidrólisis térmica, se tienen el
tiempo y la temperatura de hidrólisis. De estudios previos se fijaron variables como la concentración de
sustrato, la concentración y tipo de ácido[l6], además basándose en estos trabajos se le dio un
pretratamiento al bagazo de caña, al prehidrolizarlo antes de hidrolizarlo térmicamente, para facilitar el
rompimiento de las cadenas de celulosa a glucosa y eliminar sustancias inhibitorias de la fermentación.
En un reactor de 2 L se efectuaron las prehidrólisis térmicas a una temperatura de 153,2 "C, así mismo
las hidrólisis térmicas, cuyos niveles de temperatura escogidos fueron 170, 180 y 190 "C, con tiempos
de hidrólisis entre 5 y 40 minutos. Del estudio de la hidrólisis térmica, se tiene que conforme se eleva la
temperatura de hidrólisis, se observa una tendencia a aumentar las concentraciones de azúcares
reductores, siempre que los tiempos de hidrólisis no sobrepasen los 15 minutos.
En general las mayores productividades de etanol se obtuvieron de la fermentación de los sustratos
hidrolizados a la temperatura de 190 "C y 15 minutos. Por lo tanto, se concluyó que para producir la
fermentación en un reactor de 5 L, los sustratos utilizados se hidrolizarían justamente a una temperatura
de 190 "C y un tiempo de hidrólisis de 15 minutos.
La concentración de etanol que se obtuvo fermentando el sustrato hidrolizado a las condiciones ya
mencionadas, fue de 18,86 mglmL a las 40 horas, mientras que en las dos corridas efectuadas en un
reactor de 5 L fueron de 22,55 mglmL de etanol, a las 32 horas para la primera corrida de fermentación
y a las 28 horas para la segunda corrida. Se puede decir que a una escala mayor de la corrida de
fermentación, no se presentó mayor diferencia con respecto al estudio efectuado en los erlenmeyers de
250 mL.
En investigaciones futuras se recomienda efectuar la hidrólisis térmica en un reactor con un sistema de
percolación en serie, en donde el líquido hidrolizado fluya más facilmente, minimizándose 12 degración
del mismo. Además es conveniente analizar la composición tanto de los hidrolizados como los
destilados y determinar de forma más precisa cuán eficiente es el proceso de hidrólisis termica del
bagazo de caña de azúcar para la obtención de etanol vía fermentativa.
/NDICE GENERAL
PAGINA
APARTADO
i
ii
iii
v
vi
xi
Epígrafe
Comité asesor
Resumen
índice general
índice de cuadros
índice de figuras
Capítulo 1
Introducción
Capítulo 2
Bagazo de la Caña de
Azúcar
Capítulo 3
Hidrólisis de Materiales
Lignocelulósicos
Capítulo 4
Fermentación
Capítulo 5
Metodología, Diagrama
y Equipo Experimental
Capítulo 6
Resultados y Discusión
Capítulo 7
Conclusiones y
Recomendaciones
Bibliografía
Nomenclatura
Apéndices
A,
B.
C.
D.
Datos experimentales
Resultados intermedios
Muestra de calculo
Métodos de análisis
~NDICEDE CUADROS
DESCRIPCIÓN
CUADRO
2.1
Productos obtenidos en la cosecha y en el proceso de producción de azúcar
por 100 Mg de caña,
PÁGINA
4
2.2
Análisis químico del bagazo.
5
5.1
Especificaciones de los reactivos empleados en el proyecto.
25
5.2
Especificaciones del equipo experimental.
25
5.3
Condiciones experimentales del primer diseño experimental. (Pruebas
preliminares)
29
5.4
Condiciones experimentales del segundo diseño experimental. (Pruebas
preliminares)
30
5.5
Concentración de los nutrientes utilizados en la fermentación.
33
5.6
Condiciones experimentales de la hidrólisis térmica.
34
5.7
Condiciones de la hidrólisis térmica, para efectuar posteriormente las
fermentaciones alcohólicas en el reactor de 5 L.
36
6.1
Porcentajes de la cantidad de sólidos, humedad y ceniza en el bagazo de la
caña de azúcar.
39
6.2
Resultados de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa, del
primer diseño experimental, utilizando un autoclave a 138 kPa (20 psig).
(Pruebas preliminares)
40
6.3
Promedio de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa, del
segundo diseño experimental, utilizando un reactor de 2 L. (Pruebas
preliminares)
41
6.4
Resultados de las concentraciones de azúcares reductores en el proceso de
hidrólisis, la cantidad de azúcar consumido en la fermentación y la
concentración de alcohol producido, utilizando dos tipos de levadura.
43
6.5
Resultados de las concentraciones de azúcares reductores en el proceso de
hidrólisis, la cantidad de azúcar consumido en la fermentación y la
concentración de alcohol producido.
44
6.6
Promedio de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa,
producidos en la etapa de prehidrólisis.
45
CUADRO
DESCRIPCIÓN
PAGINA
6.7
Resultados sobre los porcentajes de azúcares reductores consumidos durante
49
la fermentación y las concentraciones de alcoholes producidas en las corridas
a 170,180 y 190 "C.
Datos de las productividades de etanol para las tres temperaturas de hidrólisis
escogidas.
Parametros cinéticos de la fermentación alcohólica en el reactor de 5 L.
Datos para la determinción de sólidos y humedad del bagazo.
Datos para la determinación del contenido de cenizas en el bagazo seco.
Datos para las curvas de calibración utilizadas en la determinación de
azúcares reductores en las pruebas preliminares.
Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares
reductores y glucosa, de las corridas del diseño experimental 23".
Datos de las absorbancias para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, de las corridas del diseño experimental 32, utilizando un reactor de 2
L.
Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares
reductores y de glucosa, de los sustratos prehidrolizados, para ser hidrolizados
posteriormente a tres diferentes temperaturas.
Datos para la curva de calibración utilizada en la determinación de azúcares
reductores de todas las corridas experimentales.
Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares
reductores y glucosa, de las corridas a una temperatura de hidrólisis de 170
"C, utilizando un reactor de 2 L.
Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares
reductores y glucosa, de las corridas a una temperatura de hidrólisis de 180
"C, utilizando un reactor de 2 L.
Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares
reductores y glucosa, de las corridas a una temperatura de hidrólisis de 190
"C, utilizando un reactor de 2 L.
Datos para la curva de calibración utilizada en la determinación del porcentaje
de etanol, de las corridas experimentales provenientes de sustratos
hidrolizados a 170 "C.
CUADRO
DESCRIPCIÓN
Datos para la curva de calibración utilizada en la determinación del porcentaje
de etanol, de las corridas experimentales provenientes de sustratos
hidrolizados a 180 "C, 190 "C y las dos corridas en el reactor de 5 L.
Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores después
de la fermentación y valores de índices de refracción para calcular el
porcentaje de etanol producido en las fermentaciones, de las corridas
provenientes de sustratos hidrolizados a 170 "C
Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores después
de la fermentación y valores de índices de refracción para calcular el
porcentaje de etanol producido en las fermentaciones, de las corridas
provenientes de sustratos hidrolizados a 180 "C
Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores después
de la fermentación y valores de índices de refracción para calcular el
porcentaje de etanol producido en las fermentaciones, de las corridas
provenientes de sustratos hidrolizados a 190 "C
Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares
reductores y glucosa, además se muestran los valores de índices de refracción
para calcular los porcentajes de etanol producidos; a diferentes tiempos de
fermentación de la primera corrida en el reactor de 5 L.
Datos de pH y porcentajes de oxígeno disuelto a diferentes tiempos de
fermentación de la primera corrida en el reactor de 5 L.
Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, además se muestran los valores de índices de refracción para
calcular los porcentajes de etanol producidos; a diferentes tiempos de
fermentación de la segunda corrida en el reactor de 5 L.
Datos de pH y porcentajes de oxígeno disuelto a diferentes tiempos de
fermentación de la segunda corrida en el reactor de 5 L.
Porcentajes de la cantidad de sólidos, humedad y ceniza en el bagazo de la
caña de azúcar.
Ecuación de la curva de calibración en la determinación de concentración de
azúcares reductores de las pruebas preliminares.
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores
y glucosa, de todas las corridas del diseño experimental 23, utilizando un
autoclave.
PAGINA
CUADRO
DESCRIPCIÓN
PAGINA
8.2.3 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azucares reductores
74
y glucosa, de todas las corridas del diseño experimental 32, utilizando un
reactor.
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azucares reductores
y glucosa, de los sustratos prehidrolizados, para hidrolizarlos posteriormente a
tres diferentes temperaturas.
Ecuación de la curva de calibración en la determinación de concentración de
azucares reductores de las pruebas experimentales.
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores
y glucosa, de todas las corridas a temperaturas de hidrólisis de 170 "C,
utilizando un reactor de 2 L.
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azucares reductores
y glucosa, de todas las corridas a temperaturas de hidrólisis de 180 "C,
utilizando un reactor de 2 L.
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azucares reductores
y glucosa, de todas las corridas a temperaturas de hidrólisis de 190 "C,
utilizando un reactor de 2 L.
Ecuación de la curva de calibración para la determinación de los porcentajes
de etanol, de las corridas experimentales provenientes de sustratos
hidrolizados a 170 "C.
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azucares reductores
y etanol, producidas en las fermentaciones de 40 horas, de todas las corridas
provenientes de sustratos hidrolizados a temperaturas de hidrólisis de 170 "C.
Ecuacibn de la curva de calibracibn para la determinación de los porcentajes
de etanol, de las corridas experimentales provenientes de sustratos
hidrolizados a 180 "C, 190 "C y las dos corridas en el reactor de 5 L.
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores
y etanol, producidas en las fermentaciones de 40 horas, de todas las corridas
provenientes de sustratos hidrolizados a temperaturas de hidrblisis de 180 "C.
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores
y etanol, producidas en las fermentaciones de 40 horas, de todas las corridas
provenientes de sustratos hidrolizados a temperaturas de hidrblisis de 190 "C.
CUADRO
DESCRlPClON
PAGINA
0.6.1 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores,
79
glucosa y etanol, a diferentes tiempos de fermentación de la primera corrida en
el reactor de 5 L.
0.6.2
Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores,
glucosa y etanol, a diferentes tiempos de fermentación de la segunda corrida
en el reactor de 5 L.
73
~NDICEDE FIGURAS
DESCRIPCIÓN
FIGURA
3.1
Estructuras: de la glucosa (a); y la celulosa (b)
PAGINA
1O
5.1
Diagrama del equipo utilizado en la prehidrólisis e hidrólisis térmica.
26
5.2
Diagrama del equipo utilizado en la fermentación en un reactor de 5 L.
27
6.1
Comparación de las concentraciones de azúcares reductores producidos a
tiempos diferentes de residencia, para las temperaturas de hidrólisis de 170,
180 y 190 "C.
46
6.2
Comparación de las concentraciones de glucosa producida a tiempos
diferentes de residencia, para las temperaturas de hidrólisis de 170, 180 y 190
"C.
47
6.3
Comparación de las concentraciones de alcohol producidas en la etapa de
fermentación por los sustratos hidrolizados a los diferentes tiempos y
temperaturas de hidrólisis en estudio.
50
6.4
Seguimiento cinético para la primera corrida de fermentación en un reactor de
5 L.
53
6.5
Seguimiento de la concentración de oxígeno disuelto y de pH con respecto al
tiempo para la primera fermentación en el reactor de 5 L.
54
6.6
Seguimiento cinético para la segunda corrida de fermentación en un reactor de
5 L.
55
6.7
Seguimiento de la concentración de oxígeno disuelto y de pH con respecto al
tiempo para la segunda fermentación en el reactor de 5 L.
57
8.2.1
Curva de calibración para la determinación de azúcares reductores de
las pruebas preliminares.
73
8.4.1
Curva de calibración para la determinación de azúcares reductores de
las pruebas experimentales.
75
8.5.1
Curva de calibración para la determinación de los porcentajes de etanol, de las
corridas experimentales provenientes de sustratos hidrolizados a 170 "C.
77
FIGURA
DESCRIPCIÓN
PÁGINA
B.5.2 Curva de calibración para la determinación de los porcentajes de etanol, de
78
las corridas experimentales provenientes de sustratos hidrolizados a 180 y 190
"C y las dos corridas en el reactor de 5 L.
xii
CAPITULO
UNO
En casi todos los ingenios azucareros del país se encuentra que de la masa de la cana que entra en la
molienda, un 25 % de lo que queda es el bagazo de caña, del cual un 85 % se utiliza como combustible,
para suplir sus necesidades energéticas y generar energía eléctrica, mientras que el 15 % restante se
desecha o almacena para su uso posterior. Algunas opciones para su uso son: producción de
aglomeraciones, producción de furfural, producción de alcohol entre otras. Esta última opción es la que
se escogió, como tema de proyecto de graduación.
Lo que se pretende es determinar cuánto etanol se puede producir, mediante la hidrólisis térmica a
partir del bagazo de la caña de azúcar, utilizando Saccharomyce cerevisiae.
El alcohol producido se podrá aprovechar como combustible y no para consumo humano, para lo cual
haría falta realizar varias destilaciones, para poder asegurarse que todos los subproductos de la
hidrólisis se han eliminado.
En este proyecto se considerará la factibilidad técnica únicamente y no se tomará en cuenta la parte
económica, por lo que la rentabilidad de dicho trabajo no estará en discusión.
Entre los objetivos específicos de la investigación se encuentran:
+$+ Caracterizar la materia prima en cuanto a su nivel de humedad, sólidos y ceniza.
Q Realizar la planificación de la hidrólisis térmica, mediante corridas experimentales en donde se
estudien variables como: relación de sustrato, concentración de ácido, temperatura y tiempo de
hidrólisis.
Q Planear la experimentación de la fermentación. Realizando corridas experimentales de la
fermentación bajo las condiciones recomendadas de la literatura, midiendo concentraciones de
etanol y azúcares respecto al tiempo.
Q Estudiar el comportamiento de la fermentación en un volumen de 2,5 L, del sustrato hidrolizado a
las mejores condiciones obtenidas del objetivo anterior.
Q Obtener
parámetros como porcentajes de azúcares consumidos y productividades de la
fermentación a partir de las condiciones fijadas en el objetivo anterior.
CAPITULO
DOS
BAGAZO DE LA CANA
DE AZÚCAR
2.1 GENERALIDADES
La caña de azúcar se considera como la planta más apta fisiológicamente en la producción de
sacarosa. Además posee rendimientos altos en fibra, energía y componente verde; cuyo crecimiento se
obtiene en un tiempo relativamente corto en comparación con otras plantas. Además se obtienen
rendimientos en su cultivo entre 60 a 120 Mg por hectárea dependiendo de la fertilidad de los suelos.
La duración para su cosecha o ciclo de crecimiento y madurez es aproximadamente de un año[20].
La cosecha de caña en Costa Rica tiene una duración aproximada de 115 días, iniciándose en enero y
finalizando en abril. Un 90 % de la corta de caña se realiza a mano, mientras que en las grandes
haciendas utilizan maquinaria especializada para esta labor. Uno de los aspectos negativos en la
recolección con máquinas es la basura y tierra que conlleva el producto cosechado. Sin embargo el
sistema de recolección por escoger dependerá de la tecnología y el costo de mano de obra disponible.
En el proceso de fabricación del azúcar, la caña se prepara y deposita en las bandas transportadoras,
que la conducen a los respectivos molinos, donde se le extrae el jugo. Posteriormente al producto
exprimido se le agrega agua y se somete a presiones elevadas, obteniéndose aproximadamente un
porcentaje de un 90 % al 98 % en la extracción de sacarosa. El residuo de esta operación es el bagazo.
En la producción de sacarosa, se obtienen además otros subproductos, que tienen o pueden tener
diversas aplicaciones en la industria. En el Cuadro 2.1 se presentan algunos de estos, como por
ejemplo la miel final, la cachaza y específicamente el bagazo, cuyo potencial de utilización no se ha
explorado mucho en Costa Rica
CAPITULO
2 BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR
4
Cuadro 2.1 Productos obtenidos en la cosecha y en el proceso de producción de azúcar por 100 Mg
de caña.
Productos
Azúcar
Bagazo 50% humedad
Miel final
Cachaza
Hojas verdes
Hojas secas
Cogollo
Fuente: ICIDCA-MINAZA-1986
De caña en el cañaveral (Mg)
De catía limpia en el ingenio (Mg)
9
19,5
2,6
8
10,2
8,9
819
12
26
3,4
3,3
7
7
7
Debido a la inestabilidad del precio del azúcar a nivel internacional, algunos países productores de caña
de azúcar han tenido que tomar en consideración el potencial de alternativas, para el aprovechamiento
de los subproductos en la producción de la sacarosa. En lo que se refiere a Costa Rica, el bagazo sigue
siendo utilizado exclusivamente como combustible en el proceso.
2.2 CONSTITUCIÓN F~SICOQU¡MICA DEL BAGAZO
El bagazo es un sólido fibroso, subproducto de la molienda de la caña, después de la extracción del
jugo. Aproximadamente la mitad de este es fibra y la otra mitad es agua junto con sólidos solubles. La
cantidad de fibra, que corresponde a la celulosa presente en el bagazo, depende de la variedad de
caña, que oscila aproximadamente entre un 10 - 16 %['o].
En su apariencia el bagazo es voluminoso, el tamaño de sus partículas no es uniforme y su color varia
entre amarillo-gris y verde pálido.
El tipo de caña, su madurez, el sistema de cosecha empleado y el procedimiento en la molienda, son
variables que afectan la composicibn del bagazo.
Generalmente, cuando los molinos son eficaces, el producto que sale está prácticamente desintegrado,
con una longitud de las partículas inferior a 25 mm. La composición del bagazo al salir de estos molinos
es aproximadamente: 49 % de humedad, 6 % de sólidos solubles y 45 % de sólidos insolubles o fibra
cruda.
CAP~TULO2 BAGAZO DE LA CANA DE AZÚCAR
5
Como referencia, en Costa Rica los ingenios obtienen bagazo con humedades entre 48 y 50 %. Este
dato es importante, ya que un alto contenido de humedad en el bagazo significa poca extracción de
jugo y por ende un bajo rendimiento de azúcar extraído, por kilogramo de caña molida.
Otro dato fundamental, es la relación que existe entre el peso inicial de la caña con el bagazo. Se
espera que dicha relación se encuentre en un 24 - 28 %. Sin embargo en los datos encontrados en los
ingenios nacionales, este ámbito de porcentajes varía (23 - 39 %) de bagazo por peso de caña. Se ha
calculado que en ciertos ingenios, de 1 000 kg de caña, se obtienen entre 290 y 340 kg de bagazo.
La densidad del bagazo, depende de la humedad, si se encuentra suelto o apilado y de su pureza. Un
bagazo al 50 % de humedad y apilado tiene una densidad entre 155 y 247 kglmJ.
El bagazo se compone de una fracción de fibras relativamente largas y de paredes gruesas, derivada
en gran parte, de la corteza, y en menor grado de los haces fibrovasculares dispersos en el interior del
tallo de la caña, y una segunda fracción medular derivada de las células de paredes delgadas del tejido
fundamental del tallo. Esas células de paredes delgadas en la caña viva almacenan el jugo dulce. En la
estructura del tallo de la caña esas fracciones están tan íntimamente asociadas entre sí que después de
la operación de la molienda solo puede efectuarse su separación en grado muy limitado. En el Cuadro
2.2 se presentan las composiciones aproximadas del bagazo entero, la fracción de fibra y la fracción de
médula.
Cuadro 2.2 Análisis químico del bagazo["].
Médula de bagazo,
%
Componente
Bagazo seco, %
Bagazo entero, %
Fibra de bagazo, %
Celulosa
Gomas
Proteínas
Sacarosa
Glucosa
Ácidos
Grasas y ceras
Cenizas
Lignina
Silice
40.00
24,40
1,80
14,OO
1,40
0,40
0,60
2,40
15,OO
46,OO
24,50
56,60
26,11
55,40
29,30
3,45
2,40
19,95
2,OO
2,25
1,30
19,15
0,46
3,55
3,02
22,30
2,42
CAP~TULO2 BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR
6
En diversas comparaciones que se han realizado del tipo de fibra del bagazo de caña, se ha encontrado
una similitud con las fibras de la lana y algodón, ya que estas también tienen forma de espiralIl21.
La fibra pura de bagazo ha sido analizada por varios investigadores que han reportado valores medios
de 47 % de carbono, 6,5 % de hidrógeno, 44 % de oxígeno y 2,5 % de cenizas e indeterminados[I51.
La fibra del bagazo consiste principalmente en celulosa, pentosas y lignina. La celulosa es el
componente principal del tejido vegetal, es un polisacárido con fórmula general (C6HloOs)n. En general
la celulosa se encuentra entremezclada con lignina, pentosas, gomas, grasas, etc. La hemicelulosa es
la parte de la fibra que es soluble en soda cáustica al 17 % y difiere de la celulosa por estar compuesta
por unidades de pentosa, en vez de glucosa y está menos polarizada. Los pentosanos son formas de
hemicelulosa que por medio de la hidrólisis se obtiene xilosa, arabinosa y ácido urónico. La lignina es
de peso molecular alto, su estructura química es en su mayoría aromática. El contenido de celulosa,
hemicelulosa y lignina, son de 46 %, 25 O
h y 20 O
h respectivamente, en base seca[20].
2.3 ALMACENAMIENTO DEL BAGAZO
En el almacenamiento del bagazo, se debe tener en cuenta, que es un material muy fácil de
descomponer. Generalmente se deposita al aire libre, en pilas que se encuentran levantadas de tal
forma que la ventilación sea adecuada. La parte superior de estas pilas se cubre con láminas metálicas,
que protegen al bagazo de la lluvia; además se le agrega ácido bórico y algunos fungicidas para una
conservación mejor.
Durante los primeros meses de almacenamiento, en el bagazo se produce ácido acético, debido a la
fermentación de azúcares, esto ocasiona que se den temperaturas altas, que lo esterilizan.
Dependiendo del uso que se le dará al bagazo, hay que tomar en cuenta la cantidad de humedad y
azúcares residuales, que pueden causar el desarrollo rápido de microorganismos, elevar la temperatura
y el deterioro posterior del bagazo; con base en lo anterior se debe escoger el método más adecuado
para su almacenamiento. Entre los métodos más comunes que se encuentran en la industria se tienen
los siguientes: a granel y los compactos.
CAP~TULO2 BAGAZO DE LA CAÑA DE AZUCAR
7
El método a granel es cuando se almacena el bagazo suelto en el patio, dentro de pilas con
capacidades de hasta 35 mil Mg de este material. En estas pilas se generan temperaturas altas y se
forma una zona anaeróbica, en donde el bagazo en su parte interna, llega a tener humedades de hasta
un 75 %.
En el método de almacenamiento compacto, se tiene dos tipos: pacas húmedas y pacas secas. El
almacenamiento de pacas húmedas, incrementa la fermentación, llegándose a temperaturas de
aproximadamente 65 "C, facilitando una combustión espontánea.
Por otro lado, el método de pacas secas, alcanza humedades de un 20 %, reduce el proceso
microbiológico, disminuye el deterioro elevado y pérdidas de almacenaje. También a diferencia del
método anterior, no se tienen índices de fermentación altos, por lo que se pueden confeccionar pacas
más grandes, bajando los costos de manipulación.
2.4 USOS DEL BAGAZO
El bagazo como subproducto o residuo de la molienda de la caña, se ha utilizado tradicionalmente en
los ingenios como combustible, alimentando las calderas, que generan el vapor indispensable en el
proceso del azúcar.
Otros usos del bagazo dependen de la capacidad y diversificación de la factoría que lo puede utilizar
como alimento para ganado, elaboración de pulpa, papel y furfural entre otros. Sin embargo aunque se
esté aprovechando cierta cantidad del bagazo en la industria azucarera, la producción excesiva de este
constituye un problema de transporte y de espacio en las instalaciones.
Dado que la densidad aparente del bagazo es muy baja, este material suelto alcanza densidades
aparentes promedio de 0,10 Mglm3 y cuando se apila, de 0,20 Mglm3, con un contenido de humedad
base de 45 %. Esta densidad baja hace prohibitivo el transporte del bagazo en esta forma. Una mejor
opción es el uso de prensas formadoras de pacas, que comprimen el material de forma, que
incrementan la densidad aparente en el orden de 0,40 - 0,70 Mglm3, dependiendo del tipo de prensa[*ol.
CAP~TULO2 BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR
8
La mayoría del bagazo que se produce tanto en nuestro país como en el resto del mundo, equivale a la
cuarta parte de toda la caña que se muele. Debido a este problema de acumulación, sumado a los
precios internacionales del azúcar, se está pensando en la manera de diversificar o aprovechar de una
forma más eficiente los componentes potenciales de esta fibra para que no se desperdicie.
HIDRÓLISIS D E MATERIALES
LIGNOCELUL~SICOS
3.1 MATERIALES CELULOSICOS
Los materiales celulósicos están formados básicamente de celulosa, hemicelulosa y lignina; la celulosa
es el componente principal, y constituye la fuente potencial más abundante de glucosa en la naturaleza.
La biomasa lignocelulósica se aprovecha actualmente en la combustión y la pirólisis; además puede ser
muy valiosa para procesos de hidrólisis y fermentación, obteniéndose alcohol, que sirve para múltiples
aplicaciones tanto en la industria química como en el sector energético. Este tipo de material celulósico
se encuentra en productos forestales o en residuos agrícolas, entre los que se pueden mencionar: el
bagazo de la caña de azúcar, restos de maíz, paja y hasta papel usado[23].
La celulosa es un polisacárido formado por varios millares de unidades de glucosa. Su formula es
cíclica en los cuales los grupos OH- están opuestos en la posición 1 y 4, formando cadenas extensas de
unidades de glucosa, como se muestra en la Figura 3.1. La glucosa es un monosacárido o azúcar
simple, fue el primer carbohidrato sencillo que se obtuvo puro, su fórmula molecular es C6H1206. Pese a
la dificultad de utilizar mecanismos como la hidrólisis, la celulosa se logra romper y obtener su
monosacárido constituyente, en este caso la glucosa y el ácido actúa como un catalizador. La ecuación
correspondiente se presenta a continuación:
Celulosa + Agua
H+
P glu cosa
CAP/TULO 3 HIDR~LISISDE MATERIALES LIGNOCELUL~SICOS
10
CH20H
a)
bQ-6
10,26 A
4&-Q-Q
---o
-0
e0-CKOH
-0
H
OH
b
Figura 3.1 Estructuras: de la glucosa (a); y la celulosa (b).
Los grupos OH- poseen una mejor disposición de disolverse en compuestos con grupos OH-, por
ejemplo, el agua disuelve al alcohol, no así al éter el cual no tiene grupos OH-. Otras sustancias como el
glicerol o el polialcohol son también solubles en agua. La celulosa es insoluble en agua, a pesar de
contener grupos OH-. Esto último es debido a que aproximadamente un 70 % de la celulosa de las
fibras naturales es cristalina, mientras que el 30 % restante, está formado de material muy hidrofllico.
Métodos como la Ultracentrifugación, la Viscosimetría o la Osmometría, sirven entre otras cosas para la
determinación de la cantidad de unidades de glucosa que se han combinado, en la formación de la
macromolécula de la celulosa.
La celulosa se puede identificar, si se añade una solución de NaOH al 17,5 % a la muestra, a una
temperatura de 200 OC, para obtener un producto que contiene:
9 a-celulosa: que corresponde a la parte insoluble de la celulosa.
j3-celulosa: parte soluble de la celulosa y que precipita en presencia de ácido.
CAP~TULO3 HIDRÓLISISDE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS
11
O y-celulosa: parte que permanece en la solución.
Las hemicelulosas son polisacáridos de bajo peso molecular y se encuentran estrechamente ligados
con la celulosa y tienen además la característica de que se hidrolizan más rápido que esta, por la
acción de los ácidos. Los productos que se obtienen de la hidrólisis de la hemicelulosa, se muestran en
la siguiente fórmula:
Hemicelulosa + Agua
H
+
+ pentosas + furfural
(3.2)
La hemicelulosa se localiza preferentemente en la pared celular, pero sobre todo en partes exteriores y
en su lámina media, es soluble en NaOH al 17,5 %, porción que es incluida en la a-celulosa.
La composición química de la hemicelulosa es un poco complicada ya que aparenta estar combinada
en unión libre con la lignina. Para aislar las hemicelulosas se aplica una solución de hipoclorito de sodio
en disolución diluida de ácido acético. Los azúcares principales en la hemicelulosa son: D-xilosa y Darabinosa que no son fermentables por las levaduras, mientras que la D-galactosa y la D-manasa sí lo
son.
Es recomendable la eliminación de la hemicelulosa, antes de la hidrólisis de la celulosa, porque se sabe
que tanto las pentosas como el furfural producido de la hidrólisis de la misma, pueden llegar a ser
tóxicos e inclusive inhibidores del crecimiento de los microorganismos[l~l.
La lignina es un compuesto formado por diversas unidades, de cadenas laterales de tres carbonos, es
aromática, por lo tanto su fórmula es diferente a las de las celulosas y hemicelulosas. Además es
resistente a la hidrólisis térmica, ya sea a concentraciones bajas o a altas de ácido; esta más bien
permanece como un residuo insoluble de la hidrólisis. Por medio del espectro infrarrojo, se determinó
que la estructura de la lignina forma parte de los productos de la degradación. El aislamiento de la
lignina se lleva a cabo con un procedimiento que utiliza solventes alcohólicos acidificados y dioxano[8].
CAP~TULO3 HIDRÓLISIS DE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS
12
3.2 AZÚCARES FERMENTABLES, PRODUCTOS DE LA HIDRÓLISIS
En tiempos de guerra, en algunos estados se utilizó el bagazo para producir azúcares fermentables por
medio de la hidrólisis ácida de la celulosa. Actualmente se realizan numerosas investigaciones sobre
cuán factibles resultan ser estos tratamientos en la elaboración de azúcares aprovechables para la
industria. Otra forma de obtener estos azúcares fermentables es mediante la utilización de cultivos
mixtos seleccionados de bacterias celulolíticas y fermentadoras, como las de Clostridium.
El bagazo de la caña está compuesto por polímeros de azúcar con una proporción de: 37,6 % de
celulosa y 31,l % de hemicelulosa.
Por medio de la hidrólisis se obtienen monosacáridos que se transforman a etanol en el fermentador,
bajo condiciones anaerobias. Los azúcares obtenidos en la hidrólisis se encuentran en las siguientes
proporciones: 37,5 % glucosa 23,2 Oh xilosa y 3,1 % arabinosa. De estos tres tipos de azúcares,
solamente la glucosa y la arabinosa pueden ser consumidas tanto por levaduras como por bacterias,
exceptuando la xilosa; por tal motivo, se requiere un procedimiento adicional para la eliminación de
esta; evitando en gran medida una posible interferencia en la producción de etanol.
En la práctica, una prehidrólisis con ácidos diluidos convierte a la hemicelulosa en sus componentes
azucarados. Posteriormente, una hidrólisis más enérgica, donde haya mayores concentraciones de
ácido o temperaturas más elevadas, convierte la celulosa en glucosa, separándose la lignina en la
misma forma que en el caso anterior.
Para lograr las condiciones de máximo rendimiento en las etapas de prehidrólisis e hidrólisis, se deben
considerar las aplicaciones posteriores de los productos obtenidos. Por esta razón, es importante el
estudio de las siguientes variables[*3]:
a) Grado de molienda
b) Relación sólido-líquido
c) Temperatura
d) Tiempo
e) Concentración de ácido
CAP~TULO3 HIDRÓLISIS DE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS
13
3.3 CONDICIONES PROPICIAS PARA LA HIDRÓLISIS DE LA CELULOSA
La reacción que describe la hidrólisis térmica de la celulosa es la siguiente[lgl:
Desperdicio celulósico -bAzúcares
k2
+Productos de descomposición
(3.3)
En resumen, la reacción puede representarse por:
~ k l ~ k 2 c
Los parámetros cinéticos se pueden obtener realizando un análisis teórico, que optimizan el sistema de
hidrólisis, llevado a cabo en un reactor por tandas. Para ello se presentan las siguientes expresiones:
Lo que interesa del proceso de hidrólisis es llegar a producir la máxima cantidad de azúcares
fermentables. Por lo tanto del estudio cinético se tienen dos expresiones, la 3.8 y 3.9, con las que se
pueden calcular el tiempo máximo y la concentración máxima de dichos azúcares, obtenidos en ese
lapso[lgl.
CAP~TULO3 HIDR~LISISDE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS
14
Los mejores resultados de la etapa de hidrólisis se obtienen cuando previamente se realiza una
prehidrólisis térmica, para eliminar la hemicelulosa presente en los materiales lignocelulósicos. Esto se
logra mezclando dichos materiales con una solución de ácido sulfúrico al 0,5 - 0,8 %. Luego el material
leñoso se introduce en un recipiente a presión, resistente, a una temperatura de 190 "C. La solución de
ácido se inyecta desde la parte superior del recipiente y se extrae a través de un filtro por su parte
inferior; de esta forma se descarta el líquido donde se encuentran los azúcares producto de la hidrólisis
de la hemicelulosa; todo el proceso se lleva a cabo en 3 minutos. Por otro lado los sólidos se secan,
para utilizarlos posteriormente en el proceso de hidrólisis de la celulosa presente en ellos.
De trabajos previos sobre la hidrólisis de la celulosa, se tienen las siguientes ecuaciones empíricas para
calcular las constantes de la velocidad de reacción[lgl:
Estas ecuaciones aplican para materiales lignocelulósicos como la madera de pino. Además la hidrólisis
se realiza en un ámbito de temperaturas de 170 "C a 190 "C, con una concentración de ácido sulfúrico
de 0,4 % a 1,6 % y una concentración de sustrato de 50 g/L a 100 g/L. Otro factor importante es el
tiempo de hidrólisis, que es aproximadamente 3 minutos.
3.4 FACTORES QUE AFECTAN LA ETAPA DE HIDROLISIS
En la práctica se sabe que la descomposición de celulosa es una reacción de primer orden, que
depende de la concentración de ácido y de temperatura. Investigaciones sobre este tema han logrado
determinar un aumento de la velocidad de descomposición, conforme se aumentaba la temperatura,
mientras que con temperaturas inferiores a 30 "C, la velocidad de descomposición es muy baja. Por
esta razón es recomendable, que al finalizar la etapa de hidrólisis, se evite que los azúcares producidos,
permanezcan mucho tiempo en contacto con el ácido hidrolizante, sobre todo si la temperatura es muy
alta.
CAP~TULO3 HIDRÓLISIS DE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS
15
Otros factores por tomar en cuenta tanto en el diseño como en la ejecución de la hidrólisis son: la razón
liquido-sólido, y el efecto del tamaño de las partículas. En cuanto a la razón de líquido-sólido se refiere,
la relación más adecuada es mayor a 5 partes de líquido por una parte de sólido; si se trabaja con
sólidos muy divididos, una cantidad pequeña de líquido no sería suficiente para humedecerlos
completamente. Es importante destacar que el líquido utilizado es el ácido hidrolizante, por lo tanto
debe escogerse cuidadosamente tanto el tipo de ácido como su concentración.
Respecto al tamaño de la partícula sobre la velocidad de hidrólisis, se puede decir que a medida que se
disminuyen las dimensiones del sólido, el tiempo de hidrólisis se hace menor, para obtener la misma
cantidad de azúcares fermentables. Sin embargo el hecho de utilizarse partículas pequeñas, introduce
un costo adicional al proceso, a menos que se compense con un tiempo menor de hidrólisis que lo
justifique económicamente.
Al igual que la descomposición de los azúcares, la correspondiente de la celulosa también es una
reacción de primer orden. Del estudio de la relación de la variación de la constante de velocidad de
descomposición de la celulosa, para relaciones líquido-sólido de 10 a 1, a diferentes temperaturas y
composiciones de ácido, se ha obtenido que a una concentración de ácido constante y un incremento
de la temperatura, la constante de velocidad aumenta[lll.
Con análisis posteriores se logra comprobar que el aumento tanto de la concentración de ácido como
de la temperatura, aumentan la conversión de la celulosa a glucosa. A su vez los efectos de la
velocidad de descomposición de esta última son mucho menores, en comparación con la
transformación que sufre la celulosa.
3.5 AGENTES QUE DESTRUYEN LA ESTRUCTURA DE LA MADERA
Entre los agentes destructores de materiales leñosos, se pueden mencionar los diferentes tipos de
hongos. La podredumbre se presenta de dos formas: La oscura, generalmente producida por hongos
que al destrozar la celulosa, la vuelven frágil al punto de pulverizar el material leñoso y la blanca que
ataca la lignina, (compuesto presente en este tipo de estructuras) y forman zonas bh-~cas.
CAP/TULO 3 HIDRÓLISIS DE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS
16
En cuanto a los hongos, se tienen los superiores como los Ascomicetos y Basidiomicetos, cuyo daAo
radica en manchas, por la formación de pigmentos. También se tienen los mohos, que están formados
por una gran cantidad de hongos[21].
Para prevenir la formación de los hongos es muy importante, tener conocimiento de cuáles son las
condiciones que favorecen su crecimiento; entre las que se pueden citar: sustancias nitrogenadas
(alimento de estos organismos), temperatura, cantidad de oxígeno, humedad y sobre todo ausencia de
la luz solar. Lugares con climas muy calientes y húmedos presentan dificultades al tratar de mantener
en buen estado los materiales leñosos. Por otro lado en sitios donde el ambiente es muy frío y la
humedad tiene un porcentaje menor a 20 %, la degradación de estos materiales se reduce.
La forma de ataque de los hongos, es mediante la segregación de enzimas, que destruyen los
materiales leñosos. La cantidad y la clase de enzima dependen de la temperatura, el pH, la especie de
hongo y la naturaleza del sustrato. Algunas de las enzimas más comunes son: la citasa, que ataca las
paredes celulares; la celulasa, hemicelulasa, ligninasa y catalasa entre otras[21].
CAPITULO
CUATRO
4.1 GENERALIDADES DE LA FERMENTACIÓN
La fermentación lleva a cabo transformaciones químicas de la materia orgánica catalizadas por
enzimas, mediante el empleo de microorganismos. Estas enzimas se clasifican en dos tipos:
endoenzimas y exoenzimas, según desarrollen su labor dentro o fuera de la célula. Gracias a estas, los
microorganismos obtienen del medio la energía requerida para llevar a cabo sus funciones[~~l.
Las coenzimas son sustancias, que la mayoría de las veces son producidas por la misma célula o
alguna otra sustancia específica. A cada tipo de enzima, le corresponde una coenzima; su presencia es
muy importante, porque mediante esta combinación enzima-coenzima, se efectúan todas las fases de la
fermentación.
En las fermentaciones los microorganismos utilizados como las levaduras y hongos, únicamente
pueden obtener energía al alimentarse de materiales orgánicos.
La selección de la materia prima para realizar la fermentación, depende de varios factores, entre ellos el
costo y la disponibilidad de la misma; pero lo más importante por tomar en cuenta es su composición,
en especial el contenido de carbono y nitrógeno. La materia prima con una gran proporción de celulosa,
es poco aprovechable a nivel industrial, por la dificultad de encontrar microorganismos capaces de
utilizar la c e l u l ~ s a [ ~ ~ ] .
La función propia de un fermentador es proveer un ambiente adecuado para cada proceso
microbiológico, que permita el crecimiento eficaz de las células y la formación del producto. Para ello, es
necesario que se le añada al medio una fuente de carbono, nitrógeno y minerales en las cantidades
requeridas.
Además en esta etapa es importante que se mantengan los valores de pH y temperaturas óptimos.
Entre los productos agrícolas y materiales celulósicos utilizados para la fermentación se tienen los
siguientes[4]:
Subproductos del procesamiento de las cosechas de azúcar (melazas, sorgo, dulce, jarabes,
líquidos sulfíticos agotados).
a
Cosechas de azúcar (caña de azúcar, remolacha, sorgo).
Cereales (maíz, trigo, arroz).
a
a
Tubérculos (mandioca, yuca, papa).
Otras fuentes diversas (polisacáridos residuales de la extracción del aceite de nueces, etc).
Productos forestales directos (eucaliptos, pinos).
a
Residuos celulósicos (aserrín, bagazo de caña, corteza, paja, virutas, papel usado).
La celulosa es un polisacárido formado por una cadena de restos de p-glucosa unidos por el átomo de
carbono 4, mediante enlace glucosídico, por ello su fermentación se puede llevar a cabo por
organismos aerobios, como bacterias y hongos o por organismos anaerobios como el tipo de bacterias
presentes en los intestinos. La celulosa puede convertirse en glucosa, por dos métodos posibles: una
hidrólisis ácida o una hidrólisis enzimática[l7].
4.2 CONDICIONES NECESARIAS PARA LA FERMENTACIÓN
La fermentación debe realizarse bajo ciertas condiciones, en que los microorganismos desarrollen toda
su capacidad fermentativa, orientada hacia la producción de alcohol. Dichas condiciones son las
siguientes:
1) Nutrientes y activadores
2) Temperatura
3) PH
4) Aeración
5) lnhibidores
En cuanto a los nutrientes y activadores, las levaduras requieren de azucares, de los cuales
adquieren energia, para sus procesos vitales y como fuente de carbono. Otros substratos necesarios
para su anabolismo son: nitrógeno, fósforo, azufre, potasio, magnesio, calcio y vitaminas. La carencia
de estos nutrientes causará un ataque contra las proteínas, liberandose H2S. También es importante la
presencia de esteroles y ácidos grasos insaturados de cadena larga, necesarios para que las
membranas celulares sean funcionales.
Las levaduras se clasifican como microorganismos mesófilos, por esta razón la fermentación se puede
llevar a cabo en un ámbito de temperatura desde los 13 "C hasta 35 "C. La ventaja de utilizar
temperaturas altas, es que el proceso ocurrirá a una velocidad mayor, sin embargo aumentará la
proporción de productos secundarios, así como el riesgo de una alteración bacteriana o la terminacidn
de la fermentación antes de tiempo, la razón de esto es que las membranas celulares de las levaduras
dejan de ser tan selectivas. Por otro lado con una temperatura baja, se logra obtener un mayor grado
alcohólico. La temperatura más adecuada para realizar la fermentación alcohólica se sitúa entre los 28 32 OC[*5].
Otro factor importante es el control del pH, tanto a la hora de realizar la inoculación de las levaduras
como cuando se empiece el proceso de fermentación. Un pH muy bajo no sería adecuado para la
existencia de las levaduras, que producen el alcohol; el ámbito que favorece satisfactoriamente este
proceso se encuentra entre 4 y 4,5. Sin embargo el pH recomendado por la Fábrica Nacional de Licores
para el buen crecimiento de levaduras como la Saccharomyce cerevisiae es de 4,8, y cuando estas
envejecen un poco, el pH debe bajarse a 4,4[11.
La cantidad de aire que se utilice en la fermentación, debe ser tal que favorezca la producción de
alcohol, esto se logra con cantidades pequeñas de aire, a lo que se conoce como un proceso anerobio,
provocando que el azúcar consumido sea el necesario para producir la proporción de células requeridas
para la fermentación. Por otro lado una aeración excesiva trae consecuencias como la obtención de
agua y anhídrido carbónico en lugar de alcohol, esto debido a que las levaduras, cuando viven bajo
estas circunstancias, no utilizan los azucares por vía fermentativa sino oxidativa, para obtener con ello
mucho más energía.
A toda costa, se debe eliminar o prevenir la presencia de inhibidores, restos de productos fitosanitarios
y ácidos grasos saturados de cadena corta, que pueden afectar el proceso de fermentación de alguna
forma, ya sea bajando la eficiencia del mismo o evitando por completo su realización. Entre los
principales inhibidores se pueden mencionar el Son, ácido aconítico, metales pesados y restos de
herbicidas o bacterias.
4.3 TIPOS DE LEVADURAS Y SUS NECESIDADES
Las levaduras se clasifican de acuerdo con características sexuales, morfológicas y fisiológicas. La
gemación es una forma de reproducción asexual muy común de las levaduras; también tienen la
posibilidad de producirse sexualmente mediante esporas. Se sabe que una célula madre durante su
vida puede producir un máximo de quince células; al formarse protuberancias en su superficie y
separarse posteriormente.
Las levaduras que tienen mayor aplicación técnica son las pertenecientes al grupo de las Ascomycetes,
entre las más importantes se puede mencionar a la Saccharomyces, cuyo papel en la fermentación
alcohólica es fundamental. Estos microorganismos se desarrollan más activamente en la oscuridad y
producen enzimas, mediante las cuales catalizan las reacciones propias de la fermentación.
De estudios de la fisiología del organismo se pudo determinar que cepas como la Saccharomyce solo
pueden utilizar hexosas, mientras que otras levaduras que sirven para producir forraje, no se limitan en
lo que respecta a su fuente de carbono.
La Única forma de obtenerse un crecimiento rápido de estas levaduras, así como un rendimiento alto en
el proceso y productos estables, es que se tome en consideración toda la información disponible sobre
las propiedades de la producción fermentativa. Dichas propiedades dependen de genes que participan
en los ciclos de la glicólisis, de los ácidos tricarboxílicos, del metabolismo del nitrógeno y la síntesis de
hidratos de carbono de reserva.
En los Últimos años la industria se ha preocupado por mantener con éxito cualquier medio que impida
cualquier cambio en las propiedades bioquímicas de los microorganismos, garantizando la estabilidad
de los mismos. Entre los medios empleados se tienen los siguientes[25]:
1) Mantenimiento en medios de cultivos sólidos y repiques periódicos, bajo condiciones frescas,
2) bajo aceite mineral,
3) congeladas a -20 "C y después a -55 "C en medios que contienen leche o glicerol,
4) liofilización,
5) mantenimiento a muy baja temperatura, en nitrógeno líquido (-196 "C).
La Saccharomyce cerevisiae utiliza como principales fuentes de carbono la glucosa y la sacarosa. Sin
embargo también puede utilizar la fructuosa, galactosa, maltosa y por supuesto el etanol. Además del
carbono y el nitrógeno, el cual se suministra por la urea o el nitrato de amonio, existen otros elementos
importantes como: el fósforo (proporcionado por el ácido fosfórico), magnesio (que se obtiene del
sulfato de magnesio), calcio, hierro, zinc y vitaminas como la tiamina y biotina, entre otras.
4.4 PROCESO DE FERMENTACIÓN
En las fermentaciones industriales, los medios deben contener todos los elementos requeridos para la
síntesis del material celular, para lo que es necesario un crecimiento de los microorganismos y
finalmente la formación del producto por las células maduras. En la producción de etanol los métodos
más utilizados se basan en la fermentación de carbohidratos por medio de levaduras, aunque a la vez
se pueden obtener productos secundarios de bajo peso molecular como el butanol, acetona y otros.
En plantaciones de azúcar se generan tanto lignoceluosa como azúcares sencillos. En estas producen
etanol por medio de la fermentación de soluciones diluidas de glucosa, a pesar de que tienen datos de
que más del 70 por 100 de la lignocelulosa consiste en polímeros de hexosas y pentosas que contienen
residuos de lignina y otros materiales[24].
En todo proceso de fermentación alcohólica, la productividad máxima del proceso y calidad del
producto, dependen tanto del reactor que se utilice como de las condiciones de operación en las
diferentes etapas de la fermentación. El proceso de fermentacibn, consta básicamente de tres etapas:
1) Propagación de cultivos: que comienza generalmente en recipientes que contienen una cantidad de
microorganismo o un tubo liofilizado, donde se conserva la cepa de interks, previamente
seleccionada. Este material constituye el punto de partida, el cual se debe aumentar mediante
trasvases constantes a frascos de volúmenes crecientes, que se operan en agitadores de vaivén.
2) Con el material obtenido anteriormente, se siembra el tanque de inóculo y luego pasa al
fermentador. Previamente a la inoculación, un proceso esencial ligado a la producción, es la
preparación y esterilización de los medios, tanto en el tanque de inoculo como en el reactor.
3) Procesos de separación y purificación de los productos; que comprenden las siguientes: a) por
filtración, decantación o centrifugación, separación de sólidos insolubles; b) separaciones primarias
por extracción o absorción; c) purificación por extracción a dos fases acuosas y d) aislamiento del
producto.
Dependiendo de la concentración de sustrato, la cantidad de células presentes y la velocidad específica
del crecimiento, así sera la velocidad con la que crece un organismo.
Durante el período de desarrollo de un organismo en las fermentaciones discontinuas, el volumen de
células producidas esta determinado en gran parte por la agitación con que se realice el proceso,
además del diseño del fermentador y la concentración de nitrógeno en el medio[161.
4.5 PRODUCCION DE ETANOL
De todo el alcohol que se obtiene en la actualidad, el 95 % lo produce la Saccharomyces cerevisiae, a
partir de hexosas, mediante el proceso de fermentación. La utilización de este método, tiene las
siguientes ventajas:
9 Se cuenta con la tecnología necesaria.
9 Se utilizan fuentes renovables.
El etanol, alcohol etilico o alcohol de grano, se puede producir a partir de tres principales tipos de
materias primas:
Materias ricas en sacarosa como la caña de azúcar, la melaza y el sorgo dulce.
1) Materias ricas en almidón como los cereales y los tubérculos.
2) Materias ricas en celulosa como la madera y los residuos agrícolas.
La f6rmula química del etanol es CH3CH20H y sus características son:
9 Se utiliza en las bebidas alcohólicas, desinfectantes y solventes.
9 Es un alcohol de menor toxicidad, incoloro e inflamable.
9 El octanaje es muy alto y tiene una mayor solubilidad en la gasolina que el metanol.
9 Es un aditivo excelente, que se le añade a la gasolina para oxigenarla, produciéndose una
combustión más limpia.
La caña de azúcar, desde el punto de vista práctico, es una de las materias primas más utilizadas para
producción de alcohol, porque los azúcares que contiene, se presentan en su forma más simple, es
decir en carbohidratos fermentables. Sin embargo la desventaja de emplear esta materia prima, radica
en los costos de producción.
Los sustratos celulósicos se encuentran entre las materias primas con más potencial para la producción
del alcohol, no obstante los procesos de hidrolisis ácida y enzimática, para lograr la conversión de los
azúcares en carbohidratos fermentables, están poco desarrollados en la industria, a pesar de ello se
espera que en años próximos se den importantes avances.
CAPITULO
CINCO
METODOLOGÍA, DIAGRAMA
Y EQUIPO EXPERIMENTAL
El objetivo general de este proyecto es producir etanol como combustible mediante fermentación,
utilizando Saccharomyces cerevisiae a partir del bagazo de la caña de azúcar hidrolizado térmicamente.
Para lograr los objetivos, se describirán a continuación las pruebas preliminares realizadas, con las que
se pudo determinar cual debe ser la metodología del procedimiento experimental más adecuado,
designándose también los materiales y equipo.
Básicamente se estudiara el comportamiento de la hidrólisis termica del bagazo de la caña de azúcar,
para lo cual se analizaran: los resultados de las concentraciones de azúcares reductores,
concentraciones de glucosa y concentraciones de alcohol producidos en las fermentaciones; además de
algunos parametros cinéticos que faciliten su interpretación. La hidrólisis se efectuará a diferentes
temperaturas y tiempos.
En la primera etapa del procedimiento, se lleva a cabo una prehidrólisis del bagazo de la caña, para
eliminar la hemicelulosa presente. Mientras que en la segunda etapa se prepara el sustrato con el
bagazo prehidrolizado, procediéndose a realizar la hidrólisis térmica, para obtener los azúcares
reductores; en esta parte se efectúan las fermentaciones de los sustratos hidrolizados y finalmente se
destila el alcohol que se produzca.
5.1 MATERIALES
Los materiales utilizados en el proceso, se presentan seguidamente.
5.1.2 Materia Prima
El bagazo de la caña de azúcar, es la materia prima utilizada en este proyecto y lo suministró la
Cooperativa Victoria R.L, en Grecia.
CAP~TULO5 METODOLOG~A.DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
2s
5.1.3 Reactivos
En el Cuadro 5.1, se muestran los reactivos utilizados en el proceso.
Cuadro 5.1 Especificaciones de los reactivos empleados en el proyecto.
Reactivo
Fabricante
Pureza
Acido clorhídrico
Mallinckrodt
12 M
Acido sulfúrico
96,50 %
Merck
Arseniato de sodio
Merck
98,50 %
Etanol
Merck
Absoluto
Extracto de levadura
Sigma
n.e
Fosfato ácido de sodio
Merck
99 %
Glucosa
Merck
99 %
Hidróxido de sodio
Merck
99 %
J.T. Baker
82,60 %
Molibdato de amonio
Nitrato de amonio
Merck
99 %
99,50 %
Fisher
Sulfato de cobre
Sulfato de magnesio
Mallinckrodt
99,77 %
Sulfato de sodio
Fisher
99,50 %
Tartrato de sodio y potasio
Merck
99 %
Calidad
Reactivo
Reactivo
Proanálisis
Proanálisis
Alimentaria
Proanálisis
Análisis
Proanálisis
Reactivo
Proanálisis
Reactivo
Reactivo
Reactivo
Reactivo
5.2 Equipo Experimental
Para realizar las diversas pruebas, el equipo usado y sus especificaciones, se describe en el Cuadro
5.2.
Cuadro 5.2 Especificaciones del equipo experimental.
Unidad
Fabricante
Agitador magnético
Cole Palmer
Foundry C.O.
AUtoclave
AND
Balanza analítica
O-Haus
Balanza digital
Blue M
BaAo de agua
Precision Scientific
BaAo de agua
Bomba de vacío
Masteflex
Bomba peristáltica
Masteflex
Bomba peristáltica
VWR Scientific
Calentador
Espectrofotómetro
-
-
Jenway
Ambito
O- 10
O - 20 psi
o - 120g
O - 6000 g
Hasta 100 "C
Hasta 100 "C
O-30in Hg
o - 10
1-10
0-6
O 9,999 u.A
-
Placa UCR
70 168
CAP~TULO5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
Cuadro 5.2 Especificaciones del equipo
- experimental. (Continuación)
Unidad- Fabricante
hmbito
Fermentador
O -5rHorno
Blue M
O - 300 "C
Medidor de oxígeno disuelto
ATI Orion
O - 3 glmL
Micropipeta
Brand
10 - 100 UL
Molino
Allen Brodley
O - 5 HP, 1315 A
Mufla
Jelrus
O - 500 "C
pH-metro
La Monte
O - 14 u. pH
Reactor 2L
Parr
5 - 400 "C
Refractómetro
Bauschy LOMB
Ind.Ref.: 1,300-1,710
--
. .- -.--.-
. ..
..
-.
5.2.1 Diagrama del equipo experimental
Los diagramas experimentales del equipo se muestran en las Figuras 5.1y 5.2.
1
Figura 5.1 Diagrama del equipo utilizado en la prehidrólisis e hidrólisis térmica.
.
Serie UCR
2943
1 64341
200475
77540
178205
37296
3595
-
27
CAP~TULO5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
NOMENCLATURA
1 Ea60 termico
2 Bomba penstattica
3 Entrada de agua
4 Agitador
5 Toma de muestra
6 Fennentador
7 Sustrato de bagazo
de caña
8 Control del agitador
:¡gura 5.2 Diagrama del equipo utilizado en la fermentación en un reactor de 5 L.
I
5.3 CARACTERIZACION DE LA MATERIA PRIMA
5.3.1 Determinación del contenido de humedad y sólidos
La prueba se realiza por triplicado. En cápsulas de porcelana previamente taradas, se colocaron 10 g
de bagazo en cada una, luego se introdujeron en un horno por 24 horas a 110 "C. Cumplido este
tiempo, se pesaron las cápsulas, después de enfriarse. El peso medido corresponde a la cantidad de
sólidos presentes en el bagazo, mientras que el peso perdido representa el contenido de humedad en
estei71.
5.3.2 Determinación del contenido de ceniza
A partir del bagazo seco obtenido del procedimiento anterior, se pesaron 3 g de sólidos y se colocaron
en un crisol tarado con anterioridad. Esta prueba se realizó por triplicado introduciendo cada crisol en la
mufla, a una temperatura de 500 "C por 5 horas. El resultado corresponde a las cenizas del bagazo de
caña.
CAPITULO
5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
28
5.4 CARACTERIZACIÓN DEL HIDROLIZADO DEL BAGAZO DE CAÑA
5.4.1 Determinación de la concentración de los azúcares reductores
La concentración de los azúcares reductores se le determinó tanto a los hidrolizados como a los
fermentados, previamente filtrados. Esta variable se determinará mediante el método de Nelson
Somogyi, que se encuentra detallado en el Apéndice D.
5.4.2 Determinación de la concentración de glucosa
La concentración de glucosa se le determinó tanto a los hidrolizados como a los fermentados,
previamente filtrados. Esta variable se determinará utilizando el método enzimático de Trinder
[Laboratorios Ticolab, 20031, que se encuentra en el Apéndice D.
5.4.1 Determinación de la concentración de alcohol del hidrolizado fermentado
Esta variable se determina después de efectuar las fermentaciones de los hidrolizados. El valor
numérico se calcula al medirse primero el índice de refracción en un refractómetro, luego con la ayuda
de una curva de calibración se determina el porcentaje de volumen de alcohol de cada muestra. El
procedimiento de esta medición se explica en el Apéndice D.
5.5.1 PRUEBAS PRELIMINARES DE LA HIDRÓLISIS TÉRMICA
Con el fin de determinar el comportamiento del bagazo de la caña de azúcar ante la hidrólisis térmica se
realizaron dos diseños experimentales preliminares, sin previo tratamiento del bagazo, por lo que dicha
materia prima se utilizó tal y como se obtuvo del Ingenio. Los resultados fueron de utilidad para lograr
establecer los niveles de algunas de las variables de diseño. Las variables de respuesta elegidas para
esta investigación fueron: concentración de azúcares reductores y concentración de glucosa.
CAP~TULO5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
29
El primer diseño se realizó en un autoclave a una presión fija de 138 kPa (20 psig); las variables de
diseño en estudio para este caso fueron las de pH, tiempo y la relación bagazolagua del sustrato, sus
niveles se presentan en el Cuadro 5.3. El ácido clorhídrico se utilizó para regular el pH a los niveles
escogidos.
Cuadro 5.3 Condiciones experimentales del primer diseño experimental. (Pruebas preliminares)
Superior
(A) Niveles utilizados
Inferior
(-1
Relación (bagazolagua), (glg)
Tiempo de hidrólisis, (h)
(B) Distribución del diseño
Corrida
Relación
(t)
121105
12195
3
4
DH
Tiem~o
Según los resultados obtenidos se tiene que las mejores condiciones de hidrólisis se dan a un pH de
1,5, una relación de bagazo1 agua de 12 g de bagazo 1 95 g de agua. En cuanto al tiempo de hidrólisis
en este primer diseño no quedó muy claro cuál es su influencia. Debido a esto, para el segundo diseño
se utiliza un reactor de 2 L, con una capacidad de presión máxima de 13,8 MPa (2 000 psig); se estudió
el efecto tanto del tiempo de hidrólisis como el de la temperatura, y de esta manera se tiene una idea
más aproximada del comportamiento del bagazo de caña ante una hidrólisis térmica. En el Cuadro 5.4,
se muestran las condiciones de este diseño.
Otra prueba efectuada a modo de facilitar la metodología experimental por seguir fue el de fermentar
algunos sustratos hidrolizados, e indagar cuánto de los azúcares reducidos en la etapa de hidrólisis se
utilizan para la producción de alcohol. Antes de la hidrólisis térmica del bagazo, este se prehidrolizó tal
como se establece en el apartado 5.4.2; mientras que con la fermentación se procedió como se explica
en la sección 5.4.3.
CAP~TULO5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
30
Cuadro 5.4 Condiciones ex~erimentalesdel seaundo diseño ex~erimental.(Pruebas ~reliminaresl
(A) Factores
Niveles
O
Tiempo de hidrólisis, th (min)
Temperatura de hidrólisis, Th (OC)
(B) Distribución del diseño
Corrida
20
169,9
Tratamiento
1
40
179,8
Temperatura de
hidrólisis
Th f°C)
2
60
185,s
Tiempo de hirólisis
th (min)
5.5.2 ETAPA 1: PREHIDRÓLISIS TÉRMICA DEL BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR
El pretratamiento del bagazo de la caña de azúcar, consiste en un tratamiento térmico, que se realiza
con el objeto de eliminar la hemicelulosa presente; la razón de esta separación, es porque la
hemicelulosa no permite un apropiado contacto entre la celulosa y la disolución ácida, en el momento
de llevarse a cabo la hidrólisis térmica, lo que minimizaria la eficiencia de este proceso. Además la
hemicelulosa al hidrolizarse produce sustancias, que pueden inhibir de una u otra forma, el proceso
posterior de fermentación[lgl. Es importante mencionar que el bagazo, se molió antes de este
tratamiento, para disminuir el tamaño de las partículas y que el contacto sólido-líquido sea mejor,
aumentando la eficiencia del proceso de hidrólisis. El tamaño del bagazo molido varía; un 2 % del
bagazo a utilizar tiene 1,41 mm de dimensión, un 18 % de 841 pm, 65 % de 300 p m y un 16 % del que
pasó a través de un último tamiz de 300pm.
La operación se lleva a cabo en un reactor de 2 Litros de capacidad y se procede de la siguiente forma:
El sustrato se prepara pesando 80 g de bagazo molido y se le agregan 800 mL de una solución que
contenga 0,8% de ácido sulfúrico.
CAP~TULO5 METODOLOG~A,
DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
31
o
Se introduce en el reactor una tanda a la vez y se lleva a una temperatura de 153,2 "C.
o
En el momento que llega a esta temperatura, el equipo se apaga y se saca inmediatamente el
reactor, colocándose en un baAo de agua, para evitar que el proceso de hidrólisis continúe por más
tiempo.
o
El contenido del reactor se filtra al vacío, se le hacen tres lavados con 100 mL de agua destilada,
para eliminar todos los residuos de ácido y de azúcar reductor del bagazo prehidrolizado.
o
Los residuos sólidos de todas las tandas se secan en un horno a 60 "C por un día, luego todos los
sólidos se mezclan.
o
A los líquidos filtrados se les determina la concentración de azúcares reductores y la concentración
de glucosa.
Este sólido pretratado es el que se utilizará para realizar las corridas experimentales de la hidrólisis
térmica.
5.5.3 ETAPA 2: HIDR~LISISTÉRMICA DEL BAGAZO DE LA CANA DE AZÚCAR
5.5.3.1 Objetivo
El objetivo de la etapa de hidrólisis es producir azúcares simples fermentables, para tiempos y
temperaturas definidos. Según estudios realizados por Saeman, J, 1945, cantidades aceptables de
azúcares fermentables, se obtienen en los ámbitos de temperaturas de 170 "C - 190 "C, a
concentraciones de sustrato de 50 - 100 gramos de bagazo, en un litro de solución de ácido sulfúrico
de 0,4 - 1,6 %.
5.5.3.2 Variables
Para lograr el objetivo anterior, se estudiarán las variables siguientes:
Valores fijos:
1. Tipo de ácido: se utiliza el ácido sulfúrico, recomendado por Quintero (1993), por tratarse del ácido
más utilizado para este tipo de procesos, que permite mejores resultados.
CAPITULO
5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
32
2. Nivel de agitación: la reacción de la hidrólisis ocurre sin agitación. Para reacciones en serie el
reactor tubular da mejores resultados que en uno de agitación continua[lgl, sin embargo en este
trabajo se utilizará un reactor batch, el cual no está provisto de un sistema de agitación.
3. Concentración de ácido: después de analizar la información bibliográfica, se determinó el utilizar el
ácido sulfúrico a una concentración de 1,2 %.
4. Concentración de sustrato: para esta variable se escogió trabajar con 80 gramos de bagazo en un
800 mL de solución de ácido sulfúrico; valor que se encuentra dentro del ámbito recomendado.
Variables de diseño:
1. Temperatura: de trabajos realizados por Saeman, J (1945), se sabe que el ámbito de temperatura
para este tipo de procedimiento, se encuentran entre 170 "C y 190 "C, por esta razón se escogió
realizar varias corridas a 170 "C, 180 "C y 190 "C.
2. Tiempo: para el estudio de esta variable se escogieron valores entre 5 y 40 minutos; basándose en
el hecho que las partículas del bagazo son pequeñas, los tiempos para efectuar la hidrólisis
disminuyen, ya que el proceso de ruptura de la cadena de celulosa a unidades de glucosa es más
simple. De las pruebas preliminares se encontró que a tiempos mayores a 40 minutos el sustrato se
descompone, porque si bien es cierto que a mayores temperaturas y tiempos de hidrólisis, se
rompe la celulosa en su monosacárido constituyente, que es la glucosa[lgl; esta última puede sufrir
un proceso de polimerización, al estar bajo condiciones excesivas, como lo es la exposición
prolongada en ácido. Por otro lado se tiene conocimiento que el tiempo real de hidrólisis se
encuentra cerca de los 3 minutos[lgl.
Variables para el seguimiento cinético en las fermentaciones
De la investigación bibliográfica se encontró que para la cepa de Sacharomyces cerevisiae, los
parámetros que más afectan su comportamiento y por lo tanto se fijarán desde un principio son los
siguientes:
1. Tipos de microorganismos: todas las corridas en los erlenmeyers de 250 mL, se realizarán
empleando levadura panificadora (Sacharomyces cerevisiae). Mientras que en las corridas en el
reactor de 5 L, se utilizará una cepa productora de alcohol de la Sacharomyces cerevisiae, obtenida
del banco del Laboratorio de Micologia Médica de la Facultad de Microbiología de la Universidad de
Costa Rica.
CAP~TULO5 METODOLOG~A,
DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
2. Temperatura: se trabajará a 31 "C.
3. pH: se regulará a 4,5.
4. Tiempo de fermentación: los tiempos escogidos para este proceso son 40 horas para los sustratos
hidrolizados en erlenmeyers; este valor es un poco mayor al utilizado en otros trabajos[l4~241,debido
a que se utilizará una levadura panificadora en lugar de una productora de alcohol, por lo tanto se
dispondrá de más tiempo con la finalidad que el proceso se realice por completo. Para las
fermentaciones en el reactor de 5 L, utilizando la levadura productora de etanol, el tiempo será de
35 horas, recomendado por la Fabrica Nacional de Licores.
Variables de respuesta:
1. Concentración de azúcares reductores: esta variable se determinará mediante el método de Nelson
Somogyi. Este método se encuentra en el Apéndice D.
2. Concentración de glucosa: se determinará utilizando el método enzimático de Trinder [Laboratorios
Ticolab, 2003). El método se encuentra en el Apéndice D.
3. Concentración de etanol: para la obtención de esta variable es necesario realizar las
fermentaciones de todos los sustratos hidrolizados. El procedimiento de esta medición se explica en
el Apéndice D.
A los caldos de la fermentación se les determinará a su vez, tanto las concentraciones de azúcares
reductores como de glucosa.
5.5.3.3 Medio de cultivo de las fermentaciones
La concentración de los nutrientes tanto para el medio de cultivo como para el inoculo se presenta en el
Cuadro 5.5.
Cuadro 5.5 Concentración de los nutrientes utilizados en la fermentación.
Concentración
Nutriente
(alU
1,O0
Fosfato monoácido de potasio (K2HP04)
Nitrato de amonio (NH4N03)
2,OO
1,O0
Sulfato de magnesio (MgS04)
Extracto de levadura
2,OO
~
~
CAP~TULO5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
34
Los sustratos utilizados fueron los obtenidos de cada una de las hidrólisis térmicas a diferentes
temperaturas y tiempos de residencia, las que se muestran en el Cuadro 5.6.
5.5.3.4 Metodología experimental
En el Cuadro 5.6 se presentan todas las corridas realizadas en la hidrólisis térmica.
Cuadro 5.6 Condiciones experimentales de la hidrólisis térmica.
Corrida
1
Temperatura de hidrólisis
Th
("C)
170
Tiempo de hidrólisis
th
(min)
5
Con los resultados de la fermentación, se harán comparaciones de la producción de etanol de los
sustratos hidrolizados a las diferentes temperaturas y tiempos de residencia, mostrados en el Cuadro
5.6. Con este estudio lo que se pretende es encontrar las mejores condiciones para efectuar dos
corridas de fermentación a mayor escala, utilizando un reactor de 5 L y observar entre otros resultados,
si el comportamiento presentado se repite. No se realizará ningún diseño experimental, por lo tanto, se
fijarán las variables que se deben tomar en cuenta en este tipo de procedimientos.
5.5.3.5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Procedimiento para la Hidrólisis térmica
Para cada una de las pruebas experimentales se procede de la siguiente forma:
CAPITULO
5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
GEI
35
Después de pesar 40 g del bagazo prehidrolizado, se coloca en el reactor de 2 L, luego se le
agregan 640 mL de una solución de ácido sulfúrico de 1,2 %.
GEI
El reactor se coloca dentro del sistema de calentamiento. Al alcanzar la temperatura requerida, el
tiempo se empieza a medir desde ese momento.
GEI
Finalizado el tiempo de reacción, se apaga el equipo, retirándose el reactor y se enfría con agua
para evitar que la hidrólisis continúe.
GEI
El contenido del reactor se filtra al vacío y se le realizan dos lavados con 40 mL de agua destilada.
GEI
Se determinan las concentraciones de azúcares reductores y de glucosa, mediante los métodos de
análisis descritos en el Apéndice D.
Procedimiento para la fermentación de los sustratos hidrolizados
Para cada corrida experimental se procederá de la siguiente forma:
GEI
De cada corrida de la etapa de hidrólisis, se adicionarán 200 mL de hidrolizado en un erlenmeyer de
250 mL y se regula el pH a 4,5.
GEI
Se agregan los nutrientes, en las cantidades que se mencionan en el Cuadro 5.5, en todos los
erlenmeyers. Luego se tapan bien con papel aluminio y se introducen en un autoclave, donde se
esterilizarán durante 15 minutos a 55 kPa (8 psig). Posteriormente al descompresionarse, se
enfriarán todos los erlenmeyers.
GEI
A cada erlenmeyer se le añadirá la levadura panificadora bajo condiciones asépticas. Los
recipientes se taparan de forma que no entre aire. Los tapones tendrán únicamente un orificio
donde se conectarán con una manguera, por donde se desprenderá el dióxido de carbono
producido.
GEI
Todos los erlenmeyers se colocarán en un baño de maria, a una temperatura fija de 31 "C.
GEI
Cuando hayan transcurrido 40 horas, se retirarán del baño de maria y se filtrarán al vacío.
GEI
Se tomarán muestras de todos los filtrados, para determinar la concentración de azúcares
reductores y de glucosa (Apéndice D).
GEI
Cada corrida se destilará como se explica en el Apéndice D, y se le medirá el índice de refracción
para determinar la concentración de alcohol original.
CAP~TULO5 METODOLOG~A.DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
36
5.6 RESPUESTA ENTRE LA LEVADURA PRODUCTORA DE ALCOHOL Y LA LEVADURA
PANIFICADORA
Lo que se pretende en esta parte del trabajo es sondear el comportamiento de estas levaduras al
fermentar el sustrato hidrolizado vía térmica.
La corrida escogida al azar para llevar a cabo este sondeo fue la número 8 del Cuadro 5.6, que
corresponde a la temperatura de hidrólisis de 180 "C a un tiempo de hidrolización de 10 min. El sustrato
hidrolizado obtenido se separó en tres erlenmeyers de 250 mL, en cantidades iguales. La única
diferencia en su preparación para la fermentación, fue que a dos de los erlenmeyers se les agregó la
cepa productora de alcohol, mientras que al tercero se le añadió la levadura panificadora.
Sobre la marcha de esta investigación se decidió efectuar dos corridas mas de la hidrólisis a la
temperatura de 180 "C y 10 minutos; pero esta vez variando el pH de la concentración del sustrato
antes de hidrolizar, los valores escogidos fueron de 2,00 y 3,OO. El fin de estas pruebas nuevas fue el
de obtener un registro de la tendencia o comportamiento de la fermentación ante el nivel de acidez del
sustrato por hidrolizar. Los dos sustratos obtenidos se prepararon de igual manera que las corridas
anteriores, pero en este caso se utilizó para la fermentación de los mismos, la levadura panificadora.
5.7 CONDICIONES DE LA HIDRÓLISIS PARA EFECTUAR LAS FERMENTACIONES EN EL
REACTOR DE 5 L.
Para efectuar las fermentaciones en el reactor de 5 L, los sustratos se hidrolizaron a las condiciones
que se muestran en el Cuadro 5.7.
Cuadro 5.7 Condiciones de la hidrólisis térmica, para efectuar posteriormente las fermentaciones
alcohólicas en el reactor de 5 L.
Variable
Valor
Temperatura, T("C)
190
15
Tiempo de hidrolisis, tt-, (min)
Para obtener los 5 L de sustrato hidrolizado, se realizaron ocho corridas de la hidrólisis, a las mismas
condiciones descritas en el cuadro anterior, utilizando un reactor de 2 L de capacidad.
CAP¡TULO 5 METODOLOG~A,
DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
37
5.8 FERMENTACI~NEN UN REACTOR DE 5 L
Los 5 L del sustrato hidrolizado se separaron en dos partes iguales, adicionándolos en dos erlenmeyers
de 3 000 mL cada uno.
Las variables para el seguimiento cinético y sus valores, en esta etapa, son las mismas que se
escogieron, para efectuar todas las fermentaciones en los erlenmeyers de 250 mL. Sin embargo el
microorganismo utilizado para estas corridas a mayor escala, fue el de la levadura productora de
alcohol. Además se llevó a cabo una agitación del sustrato durante todo el proceso de fermentación,
con una velocidad aproximada de 4,13 rps.
5.8.1 Preparación del inóculo
El inoculo se preparó 24 horas antes de utilizarse, para que en este tiempo, el microorganismo se
reprodujera. A continuación se describe el procedimiento de su elaboración:
o Se pesan 12,5 g de glucosa en un erlenmeyer de 500 mL, se añade en 350 mL de agua destilada.
o Se regula el pH a 4,5.
o Se agregan todos los nutrientes del Cuadro 5.5, se tapa con papel aluminio y se esteriliza en el
autoclave por 15 minutos a 55 kPa (8 psig).
o Después de enfriar se le agrega el microorganismo bajo condiones asépticas.
o Al erlenmeyer se le coloca un tapón con dos puertos, uno de los cuales sirve para evacuar el
dióxido de carbono, mientras que el otro sirve para introducir el oxígeno al medio.
Finalmente se coloca en un baño de agua a 31 "C, por 24 horas.
5.8.2 Procedimiento para las fermentaciones en el reactor de 5 L
El procedimiento para cada una de las corridas en este reactor, se describe a continuación:
o A los sustratos en cada erlenmeyer de 3 L, se les agregan los nutrientes del Cuadro 5.5, luego se
sellan con papel aluminio y se esterilizan en un autoclave a 55 kPa (8 psig) durante 15 minutos.
o Cuando se hayan enfriado por completo, uno de los erlenmeyer se pone en refrigeración para
utilizarse posteriormente en la segunda corrida de fermentación,
CAP~TULO5 METODOLOG~A,DIAGRAMA Y EQUIPO EXPERIMENTAL
38
El contenido del otro erlenmeyer, se vierte en el reactor de 5 L, previamente lavado y esterilizado,
inmediatamente se le agregan 250 mL del inóculo.
El equipo se pone a funcionar, y se toma una muestra inicial, para determinar la concentración de
azúcares reductores y de glucosa.
o
El equipo consta de un reflujo de agua para mantener la temperatura constante a 31 "C, durante
todo el proceso.
o
Cada cierto tiempo se toman 65 mL de muestra, para determinar la concentración de azúcares
reductores, glucosa y alcohol. Además se mide el pH y el porcentaje de oxígeno disuelto. La última
toma se realiza a las 35 horas.
CAPITULO
SEIS
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1
ANALISIS DE LA COMPOSICIÓN DEL BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR
En el capítulo 2 de este trabajo se presentó información pertinente sobre el bagazo de la caña de
azúcar. Sin embargo, con el fin de corroborar en qué estado se encontraba la materia prima, se resolvió
determinar el contenido de sólidos, humedad y ceniza presentes en el bagazo de caña. Los resultados
de estas evaluaciones se muestran en el cuadro siguiente.
Cuadro 6.1 Porcentajes de la cantidad de sólidos, humedad y ceniza en el bagazo de la caña de
azúcar.
Porcentaje del
Porcentaje del
Porcentaje del
contenido de sólidos contenido de humedad contenido de ceniza'
Datos
P*
PH
Pz
~eferencia"
45
50
2140
'Contenido de ceniza en el bagazo seco
" Fuente: Kirk-1961
Al comparar los datos tomados de la literatura con los resultados obtenidos experimentalmente, se
h en el porcentaje de
observa que estos últimos son mayores a 3,5 % en el contenido de sólidos, 1,5 O
h en el contenido de cenizas. Estas diferencias pequetias radican en el hecho que las
humedad y 0, 59 O
condiciones de almacenaje varían entre las muestras de bagazo, analizadas experimentalmente de las
que se tomaron de trabajos previos[l*].
6.2 PRUEBAS PRELIMINARES SOBRE LA HIDRÓLISIS TÉRMICA
La experimentación preliminar resultó de gran utilidad, porque se estableció un criterio para la hidrólisis
40
CAP~TULO6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
térmica.
del bagazo de caña. Las primeras pruebas se efectuaron en un autoclave a una presión máxima fija de
138 kPa (20 psig), cuya temperatura corresponde a unos 126 "C. Los valores de pH para el estudio, se
escogieron, con base en proyectos de graduación anteriores[ii< 201 En cuanto a las relaciones
bagazolagua ("concentración de sustrato") se seleccionaron en forma experimental. Finalmente, la
designación de los tiempos de hidrólisis, se fundamentaron en el hecho de compensar en alguna
medida, que el equipo con que se contaba en esos momentos, no permitía valores mayores, necesario
para una eficiencia mejor del proceso de hidrólisis térmica. Los resultados se muestran en el Cuadro
6.2.
Cuadro 6.2 Resultados de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa, del primer estudio
g
Corridas
1
PH
Tiempo de
hidrólisis
Th
(h)
Relación
(bagazolagua)
L
glg
3
121105
-
Concentración
de azucares
reductores
Concentración
de glucosa
cr
(,,,gmL]
c,
~"'glmL)
-
24,99
1,34
Observando los resultados de este primer ensayo, se puede decir que las condiciones que favorecen
esta etapa, se dan a un p H de 1,5, una relación de sustrato de 12195 y un tiempo de hidrólisis de 4
horas. Este comportamiento se ve reflejado en todas las corridas a tiempos de 4 horas, donde en
general las concentraciones de azúcares reductores y de glucosa son un poco mayores.
Al realizar un análisis estadístico de estos resultados, correspondiente a un diseño factorial de 23; se
puede señalar que resultaron significativos los efectos de p H y relación de sustrato, las interacciones de
R(pH) [relación de sustrato con el pH] y pH(t) [pH con el tiempo]. Mostrando que cuanto mayor fuera el
valor de p H y menor la relación de sustrato, la concentración de azucares reductores disminuiria.
CAP~TULO6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
41
Es importate aclarar que no se muestra el análisis completo, porque se presentaron algunas
inconsistencias que imposibilitaron generar alguna conclusión determinante sobre el estudio; esto
debido a que la variable correspondiente al tiempo de hidrólisis no resultó significativa.
Un inconveniente que presentaba el equipo con que se Ilevó a cabo este ensayo, fue la imposible
manipulación de la temperatura, que resulta ser una variable muy importante en el estudio de este
proceso de hidrólisis térmica. En este punto del proyecto, se adquirió un reactor con una capacidad de 2
L, que permite trabajar a temperaturas mucho mayores, por lo que se decidió efectuar otras pruebas;
estas se centraron en determinar los efectos de la temperatura y tiempo de hidrólisis; mientras que se
fijaron los valores de pH en 1,5 y relación de sustrato en 12195 g de bagazo 1 g de agua, obtenidos de
las primeras pruebas.
Basándose en estudios realizados previamente por autores como Saeman[lgl, se escogieron las
temperaturas y tiempos de hidrólisis. Además esta segunda prueba se Ilevó a cabo tomando como base
un diseño factorial de 32, donde las temperaturas para las hidrólisis térmicas del bagazo de caña son
mucho mayores que las utilizadas en el primer ensayo, permitiendo de esta manera emplear tiempos de
hidrólisis inferiores. En el Cuadro 6.3 se muestran los resultados de esta segunda etapa de pruebas.
Cuadro 6.3 Promedio de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa, del segundo
estudio experimental, utilizando un reactor de 2 L. (Pruebas preliminares)
Corridas
1
Temperatura
T
("C)
Tiempo de hidrólisis
169,9
20
fh
(min)
Concentración de
reductores
e
Concentración de
glucosa
e
'Jr
'Jg
(m@mL]
8,97
(mglmL)
1,77
En esta segunda etapa para tiempos de hidrólisis de 20 minutos, se encuentra en términos generales,
que las concentraciones de azúcares reductores y de glucosa tienden a ser un poco mayores que las
CAP/TULO6 RESULTADOS Y DISCUSI~N
42
obtenidas a los otros tiempos. Además a la temperatura de 169,9"C aproximadamente, los valores de
estas concentraciones fueron los más altos al compararlos con los correspondientes, de las
temperaturas de 179,8 y 185,5 "C. Al igual que en el primer estudio experimental, los resultados del
análisis estadístico correspondiente a este segundo diseño factorias 32, no fueron muy confiables
puesto que indican que solo la temperatura de hidrólisis es significativa, dejando de lado la variable de
tiempo de hidrólisis. Esto último no queda claro al observar en conjunto los resultados, que muestran
claramente una marcada tendencia al diminuir los valores en las concentraciones de azúcares
reductores conforme aumenta el tiempo de hidrólisis.
Con estas pruebas se encontró evidencia que explica un poco el comportamiento de este tipo de
sustrato ante la hidrólisis térmica. Las concentraciones de azúcares reductores disminuyen, conforme el
tiempo y la temperatura de hidrólisis aumentan. Si la exposición del producto de hidrólisis es mayor
puede presentarse reacciones de reversión o polimerización. Lo anterior se ve reflejado en la
disminución de los valores de las concentraciones a tiempos mayores de 40 minutos y temperaturas de
179,8 "C.
Al comparar los resultados, mostrados en el Cuadro 6.3, con los correspondientes de las corridas
efectuadas en el autoclave a la presión fija de 138 kPa (20 psig), una temperatura de 126 "C y tiempos
de 3 y 4 horas, se encuentra que las concentraciones de azúcares reductores y de glucosa fueron
mucho mayores. Dicha diferencia se le puede atribuir al empleo de una temperatura de hidrólisis inferior
en el autoclave; que no es crítica aun cuando se utilizan mayores tiempos que no causaron reacciones
reversible o de polimerización.
Con el objetivo de estimar cuáles serian los resultados de la etapa de fermentación, en esta clase de
sustratos hidrolizados térmicamente, se procedió a hacer dos tipos de sondeos, los cuales se examinan
a continuación.
Los resultados obtenidos al fermentar durante 40 horas los hidrolizados, se muestran en los Cuadros
6.4 y 6.5. Las pruebas experimentales se efectuaron bajo los mismos tiempos de hidrólisis de 10
minutos y temperaturas de 180 "C. Las corridas del Cuadro 6.4 se prepararon para la etapa de hidrólisis
a un pH de 1,2 y se utilizaron dos tipos de levaduras, la panificadora y la productora de alcohol (Cepa
CAPITULO
6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
43
Sacharomyces Cerevisiae), obviamente con esta Última se obtienen mejores resultados. Debe
puntualizarse que para todas las corridas, la cantidad de azúcar reductor consumido es muy poca, al
igual que la concentración de alcohol producido en comparación con la cantidad de azucares reductores
disponibles para producir etanol por medio de la fermentación. No se tienen suficientes datos para
concluir al respecto; sin embargo entre algunas causas posibles para este comportamiento se pueden
mencionar, la presencia de sustancias inhibidoras propias de este tipo de mecanismo, o que no todos
los azucares reductores son fermentables[161.
Cuadro 6.4 Resultados de las concentraciones de azucares reductores en el proceso de hidrólisis, la
cantidad de azúcar consumido en la fermentación y la concentración de alcohol
producido, utilizando dos tipos de levadura.
Condiciones de las
Número corridas a 10 min y a
de corrida una temperatura de
180°C
Concentración' Concentración''
de
de
Azúcares
Azúcares
redudores
reductores
iniciales
finales
Cr
Cr
(mglmL)
(mglmL)
Porcentaje de
Concentración
azúcares
de
reductores
Etanol
consumidos
CA
Pd
(mglmL)
(%)
Fermentación con
levadura panificadora
2
Fermentación con Cepa
de Sacharomyces
cerevisiae
11,O5
7,95
28,05
14,60
3
Fermentación con Cepa
de Sacharomyces
cerevisiae
11,14
8,11
27,20
15,07
+ Se refiere a la concentración de azúcares reductores producidos en la etapa de la hidrólisis térmica.
* Se refiere a la concentración de azúcares reductores presentes después de efectuarse la fermentación alcohólica (que tuvo una
duranción de 40 horas).
El otro sondeo efectuado para observar el comportamiento en la producción de alcohol a valores de pH
diferentes en la etapa de hidrólisis se muestran en el Cuadro 6.5. Es importante aclarar que estos
resultados no tienen ninguna validez estadística; pero sí se puede observar un incremento en la
producción de azúcares reductores en la hidrólisis, conforme el pH baja. En el primer diseño preliminar,
se tiene este mismo proceder, de donde se dedujo que la etapa de hidrólisis efectuada a un pH bajo,
produce mayores concentraciones de azucares reductores.
CAPITULO
6 RESULTADOS Y DISCUSI~N
44
Cuadro 6.5 Resultados de las concentraciones de azúcares reductores obtenidos en el proceso de
hidrólisis a dos diferentes pH, la cantidad de azucar consumido en la fermentación y la
concentracion de alcohol ~roducido,
Condiciones de las
Número corridas a 10 min y a
de corrida una temperatura de
180°C
Concentraciónt Concentracióntt
Porcentaje de ConcentracYn
de
de
azúcares
de
Azúcares
Azúcares
reductores
Etanol
reductores
consumidos
CA
iniciales
finales
pd
(mglmL)
Cr
Cr
(%)
(mglmL)
(mglmL)
1
Hidrólisis a un pH de 2,00
y fermentación con
levadura panificadora
9,03
7,33
18,83
7,65
2
Hidrólisis a un pH de 3,00
y fermentación con
levadura panificadora
1,32
0,63
57,27
O
+ Se refiere a la concentración de azúcares reductores producidos en la etapa de la hidrólisis termica.
+k
Se refiere a la concentración de azúcares reductores despues de efectuarse la fermentación alcohólica (que tuvo una duranción de 40
horas).
En la fermentación de los hidrolizados a un pH de 2, los azúcares reductores consumidos para la
producción de alcohol, correspondieron a un 18,83 %, lo que explica el porqué de los 7,65 mglmL de
etanol obtenido, no obstante la razón principal radica en el hecho de contarse con una cantidad de
azucar reductor insuficiente para alcanzar una concentracion mayor de etanol. Por otro lado, para la
fermentación de los sustratos preparados a un pH de 3, el porcentaje de azucares consumidos fue de
un 57,27 %, sin embargo no se produjo etanol, lo cual hace pensar que dichos azucares sirvieron a otro
propósito, como lo es la producción de masa celular.
6.3 PREHIDROLIS TERMICA DEL BAGAZO DE CAÑA
La prehidrólisis se realizó con el fin de eliminar la hemicelulosa y la celulosa amorfa, incrementado la
accesibilidad a la celulosa presente en el bagazo de caña ante el proceso de hidrólisis térmica.
Para lograr una eficiencia mejor en este tratamiento, el bagazo se molió un poco más, para que el área
de contacto del bagazo con la disolución de ácido fuera mayor.
CAP~TULO6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
45
Según lo recomendado por autores como Saeman, el tiempo para un proceso de prehidrólisis es de 3
minutos a una temperatura de 190 "C; pero al no contarse con un equipo capaz de efectuar este
procedimiento, se vio la necesidad de practicar ciertos cambios. El diseno del reactor utilizado no
permitía trabajar a tiempos tan cortos, por lo tanto, para compensar este hecho, se redujo la
temperatura de prehidrólisis y por consiguiente la presión. La temperatura elegida se logró despues de
varios ensayos, en los cuales, se tuvo especial cuidado con la materia prima, para que no perdiera sus
propiedades; esto se logró al controlar que su apariencia (color y textura), no cambiara mucho con
respecto a su forma original. Además, después de la filtración del sólido, se procedió a lavarlo y secarlo
adecuadamente, listo para proceder con su hidrólisis.
En esta parte al líquido filtrado se le determinaron las concentraciones de azúcares reductores y
glucosa producidos, para cuantificar de alguna manera el estado del sustrato al prehidrolizarse y el
Iíquido filtrado; este último se descartó, al no ser posible su utilizarción en la etapa de fermentación, por
estar constituido como se ha mencionado en la literatura, de azúcares reductores no fermentables[lg].
La temperatura de prehidrólisis fue de 153,2 "C, siendo la presión de 662 kPa (96 psig); por otro lado el
tiempo que el equipo tardaba en llegar a este valor era aproximadamente 24 minutos.
Cuadro 6.6 Promedio de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa, producidos en la
etapa de prehidrólisis.
Concentración de azúcares reductores
Concentración de glucosa
En el cuadro 6.6 se presentan las concentraciones promedio, 2,21 mglmL de azúcares reductores y
0,49 mglmL de glucosa producidas en esta etapa preliminar. A pesar que esta cantidad de glucosa
pudo utilizarse en la etapa de fermentación, se sabe que junto con este azúcar fermentable se produce
otro tipo de azúcares como la xilosa, que puede producir furfural, que resulta ser una sustancia
inhibitoria para las levaduras, razón por lo que el liquido se descarta por
CAP~TULO6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.4 HIDRÓLISIS TÉRMICA DEL BAGAZO DE CAÑA PREHIDROLIZADO EN ERLENMEYERS DE
250 mL
El estudio de la hidrólisis térmica del bagazo de la caña de azúcar se realizó con el fin de evaluar el
comportamiento de este material lignocelulósico ante el proceso de hidrólisis térmica. Los niveles
escogidos de las variables de temperatura y tiempo de hidrólisis, se establecieron con base en la
teoria[l6'l91y en las experimentaciones preliminares; de donde se sabe que a temperaturas y tiempos
mayores a 190 "C y 40 min, respectivamente, se presenta una disminución en la concentración de los
azúcares reductores. El hidrolizado también presentó una pigmentación negra, producto de reacciones
secundarias que se llevan a cabo.
Para lograr una visión más completa de este estudio, se determinó efectuar todas las etapas
experimentales de principio a fin, para cada una de las corridas, en los erlenmeyers de 250 mL,
iniciando con la prehidrólisis del bagazo, luego hidrolizándolo térmicamente, seguido por la
fermentación, filtración y destilación.
Tiempo de hidrólisis, th (min)
-
--- -
.
.
-.
Figura 6.1 Comparación de las concentraciones de azúcares reductores producidos a tiempos
diferentes de hidrólisis (5 - 40 min), para las temperaturas de hidrólisis de 170, 180 y 190
"C.
CAP~TULO6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En las Figuras 6.1 y 6.2 se presentan, respectivamente, las concentraciones de azúcares reductores y
de glucosa en mglmL, con respecto al tiempo de hidrólisis, producidos al hidrolizar térmicamente el
bagazo de caña, para cada una de las corridas a las temperaturas de hidrólisis de 170, 180 y 190 "C.
Las concentraciones máximas de azúcar reductor se tienen a los 15, 10 y 5 minutos a las temperaturas
de 170, 180 y 190 "C respectivamente. Paralelamente al examinar la Figura 6.2, se tiene que a estas
mismas condiciones de temperatura y tiempo, las concentraciones de glucosa son las mayores.
Los valores mayores de las concentraciones se presentan a la temperatura de 170 "C, mientras que a
190 "C se dan los valores menores. Las diferencias en los resultados de las concentraciones
producidas entre las temperaturas de 170 "C y 190 "C, van desde los 2 mglmL aproximadamente, para
el caso de las corridas a 10 minutos de hidrólisis, hasta 6 mglmL a tiempos de 30 minutos. Es decir, que
conforme se incrementan los tiempos de hidrólisis, estas diferencias son más grandes. La causa más
fiable ante este comportamiento como se ha mencionado en trabajos previosllgl, es que después de
cierto tiempo y temperatura en el hidrolizado que contiene azúcares, ocurren reacciones de reversión o
polimerización.
1
Tiempo de hidrólisis,k (min)
Figura 6.2 Comparación de las concentraciones de glucosa producida a tiempos diferentes de
hidrólisis (5 - 40 min), para las temperaturas de hidrólisis de 170, 180 y 190 "C.
CAP~TULO6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
48
En la Figura 6.2 se observa que las concentraciones de glucosa son muy bajas e incluso inferiores a 2
mglmL, lo que constituye un problema al presentarse una represión catabólica, originando que el
metabolismo de la levadura cambie del proceso anaeróbico, al aeróbico[9], cuyas condiciones son
adversas al buen desempeño de la fermentación alcohólica; como precisamente ocurrió, al dificultarse
la producción de etanol.
Los resultados hasta aquí considerados muestran que el ámbito del tiempo de hidrólisis se encuentra
entre los 5 y 15 minutos. Para saber exactamente cuál puede ser este valor, así como también la
temperatura de hidrólisis más conveniente, se prosiguió con el análisis de las corridas de fermentación.
6.5 FERMENTACIÓN DEL BAGAZO DE CANA HlDROLlZADO T~RMICAMENTEEN ERLENMEYERS DE
250 mL
En el Cuadro 6.7 se muestran los valores de concentraciones de alcohol producidas y los porcentajes
de azúcares reductores consumidos durante la etapa de fermentación, de los sustratos del bagazo de
caña, prehidrolizados e hidrolizados térmicamente a temperaturas de 170, 180 y 190 "C, para tiempos
de hidrólisis entre 5 y 40 min. Dichos porcentajes de azúcarares consumidos, presentaron una
tendencia a aumentar, conforme lo hacían los tiempos de hidrólisis.
En cuanto a las temperaturas de hidrólisis, se pude decir que los hidrolizados a 170 "C, fueron los que
consumieron más azúcares en la fermentación, al compararlos con los resultados de las otras
temperaturas. Lo ocurrido se justifica, tomando como base los estudios de trabajos previos[l6], en donde
se menciona que así como las temperaturas altas favorecen los procesos de hidrólisis, también los
pueden perjudicar, causando una descomposición parcial o total del material por hidrolizar,
disminuyendo los azúcares utilizables.
En estos resultados, no se observa relación entre las concentraciones de etanol producidas y los
azúcares reductores consumidos, debido a que los mayores porcentajes de estos azúcares
consumidos, no fueron los que dieron origen a las producciones máximas de etanol. l a explicación se
CAPITULO
6 RESULTADOS Y DISCUSI~N
49
basa en que dichos azúcares, no solo se utilizan en el proceso de fermentación para producir etanol,
sino también masa celular^^. Por lo tanto se deduce que para algunas corridas de fermentación, los
azúcares reductores se utilizaron principalmente en la producción de masa celular. Lo anterior se
evidencia en los resultados de la fermentación del hidrolizado a 170 "C y 40 min, en donde no se
produjo etanol, a pesar de ser la corrida en la que se consumieron más azúcares. Otro ejemplo de este
comportamiento, lo desempeña la fermentación del hidrolizado a 190 "C y 30 min, de donde se obtuvo
la menor concentración de alcohol.
Es importante recordar, que muchos de los azúcares reductores no son fermentables[lgl; razón por la
que generalmente en todas las corridas se consumieron muy pocos. Es probable, aunque no se haya
comprobado, que en el proceso de la hidrólisis, los rompimientos de las cadenas de celulosa a unidades
simples de glucosa, se efectuaran parcialmente, manteniéndose la unión de varias unidades de
glucosa; no obstante sus extremos se convirtieron en terminales reductoras, imposibles de fermentar y
de esta forma disminuyó la posibilidad de obtenerse una cantidad mayor de etanol. Para estudios
posteriores, se sugiere analizar la constitución tanto de los hidrolizados como los destilados y
determinar de forma más precisa cuán eficiente es el proceso de hidrólisis térmica del bagazo de caña
de azúcar para la obtención de etanol vía fermentativa.
Cuadro 6.7 Resultados sobre los porcentajes de azúcares reductores consumidos durante la
fermentación y las concentraciones de alcoholes producidas en las corridas a 170, 180 y
190 "C.
-.
Tiempo de
Hidrólisis
th
(min)
Temperatura de hidrólisis
.r
Ih
Vc)
170 "C
180 "C
190 "C
Porcentaje
Porcentaje
Porcentaje
de azucares Concentración de de azucares Concentración de azúcares Concentración
reductores
etanol
reductores
de etanol
reductores
de etanol
consumidos
CA
consumidos
CA
consumidos
CA
CAPITULO
6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
So
En el Cuadro 6.7 además se observa que la producción de alcohol llega a un máximo, para la
fermentación de los hidrolizados a tiempos de 15 minutos y temperaturas de 180 y 190 "C; mientras que
para el caso de los hidrolizados a 170 "C, el tiempo de hidrólisis, al que se obtuvo mayor concentración
fue a 20 minutos. De la disminución en las concentraciones de alcohol, que presentan la fermentación
de los hidrolizados a tiempos de hidrólisis superiores a los 15 y 20 minutos, se deduce que ante
periodos más prolongados de la hidrólisis térmica, los azúcares fermentables disponibles se fueron
reduciendo, debido a una descomposición prematura.
.
-
.
-.
+ J e m peratura 170°C
i. -+=Temperatura 180°C
-Temperatura 190°C.
O
5
1O
15
20
25
30
Tiempo de hidrólisis, k (rnin)
35
40
Figura 6.3 Comparación de las concentraciones de alcohol producidas en
la etapa de
fermentación, por los hidrolizados, a los diferentes tiempos y temperaturas de hidrólisis en
estudio.
El cálculo de las productividades de alcohol es un parametro cinético, en el que se vinculan las
concentraciones de alcohol con los tiempos de fermentación. En el Cuadro 6.8, se muestran las
productividades de etanol, para tiempos de fermentación de 40 horas, para cada uno de los
hidrolizados a las temperaturas y tiempos de hidrólisis en estudio. Entre tiempos de hidrólisis de 5 a 20
minutos, a las tres temperaturas de 170, 180 y 190 "C, los valores de estas productividades van
aumentando, mientras que después de este tiempo disminuyen.
Al consultar otros proye~tos~*~~,sobre
el tema de la hidrólisis, se encontró que los resultados en cuanto a
las productividades de alcohol, para sustratos de banano, hidrolizados químicamente y a condiciones
muy similares a las efectuadas con el bagazo de la caña de azúcar, fueron alrededor del 0,83 mglmL*h,
CAPITULO
6 RESULTADOS Y DISCUSI~N
51
mientras que las del bagazo no pasaron del 0,56 mglmL*h. De esta diferencia, se puede decir, que el
bagazo a las condiciones utilizadas no resultó ser una materia prima superior al banano, en cuanto a su
utilización para la producción de etanol.
Cuadro 6.8 Datos de las productividades de etanol para las tres temperaturas de hidrdlisis escogidas.
Tiempo
Ih
(min)
5
Productividad de etanol a
170°C
Productividad de etanol a
Productividad de etanol a
180°C
190°C
D
(mglmL*h)
0,27
D
(mglmL*h)
0,28
(mglmL*h)
D
0,38
En general, las productividades mayores de alcohol se obtuvieron de la fermentación de los sustratos
hidrolizados a la temperatura de 190 "C, y para un tiempo de hidrólisis de 15 minutos se dio la mayor
producción de alcohol. Por lo tanto, se concluyó que para reproducir la fermentación en un reactor de 5
L, los sustratos se hidrolizarian justamente a temperaturas de 190 "C y tiempos de hidrólisis de 15
minutos.
6.5 FERMENTACI~NALCOHÓLICA EN EL REACTOR DE 5L
La fermentación a mayor escala se hizo por duplicado, en un reactor con una capacidad de 5 L;
utilizándose un volumen de 2,5 L para cada corrida. Para obtener la cantidad necesaria de hidrolizado,
fue necesario llevar a cabo varias corridas, preparadas bajo las mismas condiciones de hidrólisis:
temperaturas de 190 "C a tiempos de 15 minutos.
La Figura 6.4 presenta el comportamiento con respecto al tiempo de la primera corrida de fermentación,
en cuanto a la producción de etanol y consumo de los azúcares reductores y glucosa. En la Figura 6.4a,
se muestra la disminución de los azúcares reductores durante el transcurso de la fermentación; al inicio
se tiene una concentración de azúcares reductores de 6,98 mglmL, para luego bajar a 6,75 mglrnL a las
5 horas. Los valores de estas concentraciones fueron disminuyendo lentamente, hasta que entre tas 26
y 32 horas se dio el mayor descenso, pasando de los 5,65 mglmL a 2,46 mglmL y durante este misno
tiempo, se obtuvo la concentración máxima de etanol. Al comparar las concentraciones de los azúcares
CAPITULO
6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
52
reductores con las concentraciones de glucosa, presentados en la Figura 6.4b, se observa que la curva
sigue una tendencia muy similar, ya que la glucosa es uno de los azúcares reductores obtenidos de la
etapa de hidrólisis, esta es la que se utiliza primero en los procesos de fermentación, sin embargo estos
no fueron consumidos en su totalidad.
En la Figura 6 . 4 ~se observa cómo la concentración de etanol va aumentando rápidamente, llegando a
un valor de 15,lO mglmL a las 5 horas; se puede decir que esta producción de etanol se generó por el
inóculo agregado en el reactor, al inicio del proceso de fermentación; luego el valor de la concentración
se mantuvo constante hasta las 29 horas, sin embargo si se consumieron azúcares, lo que hace pensar
que se utilizaron para la reproducción de la levadura. Transcurrido este tiempo, la concentración de
etanol alcanzó un máximo de 22,55 mglmL a las 32 horas y según se muestra en el Cuadro 6.9, para
ese momento se tenían consumidos 64,71 % de los azúcares reductores y 28,72 % de la glucosa
presentes en el sustrato.
Cuadro 6.9 Parametros cinéticos de la fermentación alcohólica en el reactor de 5 L.
Parámetros cinéticos
Fermentación
Corrida No 1 Corrida N O 2
Tiempo de fermentación en producirse la máxima
32
28
concentración de etanol, tf (h)
Concentración de etanol, CA, (mglmL)
22,55
22,55
Productividadde etanol, D (mglmL*h)
0,70
0,81
Porcentaje de azúcares reductores consumidos, Pd
64,71
39,88
(%)
Porcentaje de glucosa consumida, P, (%J
28,72
12,43
Promedio
30
22,55
0,75
52,30
20,58
La Figura 6.5, muestra el seguimiento de la concentración de oxigeno y de pH con respecto al tiempo
de la primera corrida de fermentación. De las variaciones de pH con respecto al tiempo en la Figura
6.5a; se puede decir que se encuentran dentro del intervalo apropiado de 4 - 4,5, durante toda la
fermentación; además al contar con valores de pH bajos, se inhibe el desarrollo de muchos tipos de
bacterias['7]. Mientras que en la Figura 6.5b los valores de las concentraciones del oxigeno disuelto
aumentan en las primeras horas debido a la existencia de fugas, luego disminuyen a causa del proceso
metabólico de la levadura que consume 02 para su reproducción y la presencia de COZ.
O
d
5 10 15 20 25 30 35
Tiempo de fermentación,t, (h)
O
5
10 15 20 25 30 35
Tiempo de fermentación,t, (h)
Figura 6.4b
Figura 6.4a
I
Tiempo de fermentación,t, (h)
1
Figura 6 . 4 ~
I
I
Figura 6.4 Seguimiento cinético para la primera corrida de fermentación en un reactor de 5 L.
CAP~TULO6 RESULTADOSY DISCUSI~N
O
5 10 15 20 25 30 35 40
T i m o de fermentación, tt (h)
Figura 6.5a
54
O 5 10 15 20 25 30 35 40
i k p o de femtación, tt (h)
Figura 6.5b
Figura 6.5 Seguimiento de la concentración de oxígeno disuelto y de pH con respecto al tiempo para la
primera fermentación en el reactor de 5 L.
La segunda corrida de fermentación se realizó bajo las mismas condiciones que la primera. Los gráficos
de la Figura 6.6, muestran las tendencias con respecto al tiempo, de las concentraciones de azúcares
reductores (Figura 6.6a), la concentración de glucosa (Figura 6.6b) y la concentración de etanol (Figura
6.6~).En general los resultados obtenidos fueron muy similares a los de la primera fermentación; los
azúcares reductores y glucosa fueron disminuyendo conforme la fermentación se llevaba a cabo. Al
inicio, las concentraciones fueron de 6,90 mg/mL y 2,33 mg/mL para los azúcares reductores y glucosa,
respectivamente. Al compararse con los datos de la primera corrida, se tiene que fueron un poco más
bajos; esta diferencia se debió a que los hidrolizados utilizados provenían de
corridas de hidrólisis distintas, a pesar de que las condiciones en las que se llevaron a cabo dichas
hidrólisis fueron las mismas.
En la segunda corrida de femntación, a las 3 horas de iniciado el proceso, se consumieron 4,5 % de
los azúcares reductores y 3,03 % de la glucosa, produciendo 15,lO rnglmL de etanol, que resultó ser la
misma concentración obtenida en la primera fermentación, solo que este valor se alcanzó a las 5 horas
O
5 10 15 20 25 30 35
Tiempo de fermentación, 4 (h)
Tiempo de fermentación, 4 (h)
Figura 6.6a
1
Figura 6.6b
Tiempo de fementación, 4 (h)
Figura 6 . 6 ~
Figura 6.6 Seguimiento cinbtico para la segunda corrida de fermentación en un reactor de 5 L
1
CAP~TULO6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
56
con un 3,3 % de azúcares reductores consumidos y 6,6 % de la glucosa presente.
De estos resultados se puede decir que en la segunda corrida de fermentación, el proceso fue un poco
más acelerado que en la anterior, en el sentido de que se produjo la misma cantidad de etanol a
tiempos menores de fermentación, a pesar de que la cantidad utilizada, tanto de los azúcares
reductores como de glucosa, fueron inferiores. En el Cuadro 6.9 los resultados mostrados evidencian
este proceder, en donde para la primera corrida de fermentación a las 32 horas, se produjeron 22,55
mglmL de etanol con una productividad de alcohol de 0,70 mglmL*h, mientras que esta concentración
se alcanzó en la segunda a las 28 horas para una productividad de alcohol correspondiente de 0,81
mglmL*h.
La razón del comportamiento anterior, podría estar sujeto a que la fermentación se llevó a cabo bajo un
medio más anaerobio, por lo que el metabolismo fue mucho más acelerado[131. No obstante, al final del
proceso, los porcentajes de azúcares reductores y glucosa consumidos fueron de 39,88 % y 12,43 %,
que representan aproximadamente la mitad de los utilizados en la primera fermentación. De esta
información se puede deducir, que en la segunda corrida de fermentación se efectuó un mejor
aprovechamiento de los azúcares reductores disponibles.
Durante el tiempo en que la concentración de alcohol permaneció constante en 15,IO mglmL, desde las
3 hasta las 26 horas, se siguieron consumiendo azúcares, lo que es razonable considerar que ellos se
utilizan para los procesos metabólicos de la levadura. Un factor que pudo afectar los resultados de
ambas fermentaciones en el reactor de 5 L, al igual que las llevadas a cabo en los erlenmeyers de 250
mL, fue la presencia de sustancias inhibidoras, provenientes de todo el proceso de hidrólisis térmica[l91,
entre las que se tienen al metano1 y el furfural, la presencia de este último se evidencia por la coloración
intensa adquirida por el sustrato fermentado. Por otro lado los azúcares no fermentables, al
descomponerse pueden causar algún tipo de envenenamiento del sustrato, debido a la formación de
productos de condensación, que traen como consecuencia una inhibición en el crecimiento de los
microorganismos durante la etapa de fermentación.
En la Figura 6.7 se tienen las gráficas de las concentraciones de oxígeno disuelto y de pH con respecto
al tiempo de fermentación, cuyas tendencias fueron muy parecidas a las presentadas en la primera
CAP~TULO6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
corrida de fermentación. El período en el que el oxígeno disminuye, se sabe que ocurre porque las
levaduras lo consumen junto con el azúcar para metabolizarlo. Al respecto es importante mencionar que
durante todo el proceso de fermentación se presentó una espuma muy densa sobre la superficie del
sustrato, dificultando una oxigenación adecuada y homogénea.
O
Tiempo de fermentación, tr(h)
-
.-
-
l
5 10 15 20 25 30 35 40
Tiempo de fermentación, tf (h)
-.
Figura 6.7a
. -. .
-
.
-
.
.
Figura 6.7b
Figura 6.7 Seguimiento de la concentración de oxígeno disuelto y de pH con respecto al tiempo para la
segunda fermentación en el reactor de 5 L.
Para esta segunda corrida de fermentación el pH disminuyó un poco más que en la primera, pero al
igual que en ese caso, dichos valores no se encuentran fuera de los límites, que pudiesen afectar
negativamente el proceso de la fermentacion alcohólica.
Si se comparan estos resultados con los obtenidos de la corrida llevada a cabo a una temperatura y
tiempo de hidrólisis respectivamente de 190 "C y 15 min, fermentada posteriormente bajo las
condiciones estipuladas en la metodología experimental, se tiene que la concentración de etanol
alcanzada a las 40 horas de fermentacion fue de 18,86 mglmL, mientras que en las dos corridas
efectuadas en el reactor de 5 L fueron de 22,55 mglmL de etanol a las 32 h para la primera corrida de
fermentación y a las 28 h para la segunda corrida. De lo anterior se puede decir que al aumentar de
escala no se presentaron efectos negativos.
CAPITULO
SIETE
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 CONCLUSIONES
7.1.1 PRUEBAS PRELIMARES
De las pruebas preliminares sobre la hidrólisis térmica del bagazo de caña de azúcar, se concluye lo
siguiente:
P Las corridas donde se obtuvieron las concentraciones de azúcares reductores y concentraciones
de glucosa mayores fueron las efectuadas en el autoclave a tiempos de hidrólisis de 4 horas.
P Los valores de pH, donde la hidrólisis térmica presenta un mejor desempeño, fueron alrededor de
1,5.
P La relación de 12 g bagazo 195 g de agua produjo los valores más altos de las concentraciones de
azúcares reductores y glucosa.
P Para tiempos de hidrólisis mayores a 40 minutos se origina una disminución en la concentración de
los azúcares reductores.
P Las mayores concentraciones de azúcares reductores y concentraciones de glucosa se obtuvieron
a una temperatura de hidrólisis de 170°C.
P Las concentraciones promedio de azúcares reductores y de glucosa, obtenidas de este
pretratamiento fueron de 2,21 mglmL y 0,49 mglmL, respectivamente.
De los estudios realizados sobre la etapa de hidrólisis térmica se concluye:
P Los mejores tiempos de hidrólisis se observaron a 15, 10 y 5 minutos para la temperaturas
CAP/TULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
59
respectivamente de 170, 180 y 190 OC.
P Una consecuencia de la prehidrólisis fue la disminución en la producción de azúcares reductores y
glucosa en la etapa de hidrólisis.
P
7.1.4 ETAPA DE FERMENTACIÓN
De las corridas de las fermentaciones efectuadas en erlenmeyers de 250 mL, se concluye que:
P A una temperatura de hidrólisis de 190°C, se tiene en forma general, que fueron mayores las
concentraciones de etanol después de la fermentación. Además esto se comprobó al calcular las
productividades de alcohol, las que para esta temperatura resultaron las más altas.
P Las fermentaciones de todas las corridas, bajo las condiciones de hidrólisis, no fueron muy buenas
para los hidrolizados a un tiempo superior a 20 minutos.
P El tiempo de hidrólisis en el que obtuvieron las concentraciones de alcohol superiores resultaron ser
de 15 minutos, para las corridas efectuadas a temperaturas de hidrólisis de 180 y 190°C.
P La concentración de etanol que se obtuvo fermentando en un erlenmeyer de 250 mL, el hidrolizado
a las condiciones de 190 OC y 15 minutos, fue de 18,86 mg/mL a las 40 horas de haberse iniciado el
proceso de fermentación
De las fermentaciones efectuadas en el reactor de 5 L, se concluye que:
P Las dos corridas efectuadas en el reactor de 5 L fueron de 22,55 mg/mL de etanol a las 32 h para la
primera corrida de fermentación y a las 28 horas para la segunda corrida; el aumento de escala no
presentó efectos negativos.
P La máxima concentración de etanol producida a lo largo de las dos tantas de fermentación fue de
22,55 mglmL.
7.2 RECOMENDACIONES
a
Utilizar un antiespumante en el reactor, durante el proceso de fermentación, para ayudar a que la
mezcla se lleve a cabo en una forma más homogénea.
CAPITULO
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
9 Incluir como variable de diseño en el estudio de la hidrólisis térmica, el tamaño de partícula del
bagazo de la caña de azúcar.
9 Efectuar la hidrólisis térmica en un reactor con un sistema de percolación en serie, en donde el
líquido hidrolizado fluya más facilmente, minimizándose la degración del mismo.
9 Llevar a cabo la etapa de fermentación con otra levadura capaz de fermentar tanto pentosas como
la xilosa, como lo es la Pichia stipitis y así comparar los resultados obtenidos con los de la
Sacharomyce cerevisiae.
9 Eliminación de sustancias inhibidoras que corresponden a productos secundarios del proceso de
hidrólisis, sometiéndolas a presiones de aproximadamente de 2 atm, para que estos compuestos se
vaporicen[l7].
9 La lignina proveniente del bagazo, se obtiene al filtrar el hidrolizado y queda en el papel del filtro. A
esta se le puede retirar todo el ácido que aún lleva impregnado y emplearse en formulaciones de
adhesivos y lubricantes.
9 Analizar la composición tanto de los hidrolizados como los destilados y determinar de forma más
precisa cuán eficiente es el proceso de hidrólisis térmica del bagazo de caña de azúcar para la
obtención de etanol vía fermentativa.
9 Debido a los resultados obtenidos sería bueno plantearse la posibilidad de efectuar una hidrólisis
enzimática en lugar de la térmica, realizada en este proyecto, para lograr comparar tanto la
eficiencia, como la cantidad de alcohol producido al final del proceso.
1. REFERENCIAS
1. Araya, R., Determinación de la concentración de nutrientes necesaria para mejorar el rendimiento
del proceso fermentativo de la Fabrica Nacional de Licores, Proyecto de Graduación,
Licenciatura en Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica, San José, 1998.
2. Araya, Y., Estudio de la utilización de los recursos enerqéticos en el lnqenio Curtis, en busca de un
aumento en la capacidad de producción, Proyecto de Graduación, Licenciatura en Ingeniería
Química, Universidad de Costa Rica, San José, 1996.
3. Artavia, G., Estudio de prefactibilidad para la reutilización de levaduras (Saccharomyce cerevisiael
en la Fabrica Nacional de Licores, Proyecto de Graduación, Licenciatura en Ingeniería
Química, Universidad de Costa Rica, San José, 1997.
4. Bu'lock, J., Biotecnología Básica, Editorial Acribia S.A., Zaragoza, España, 1991.
5. Conn, E., Bioquímica Fundamental, Tercera edición, Limusa, México, 1978.
6. Crueger, W., Biotecnología: Manual de Microbiología Industrial, Editorial Acribia, Zaragoza, España,
1993.
7. Cunniff, P., Official Methods of Analvsis of AOAC lnternational Volume 1 and 11, Décima sexta
edición, AOAC, Arlington, Virginia, USA, 1995.
8. Cunningham, G., Etanol de Iignocelulósicos, Plublicación: Universidad de Santiago de Compostela,
Santa Fe, Argentina 1994
9. Cysewski, G., Fermentation Kinetics and Process Economics for the Production of Ethanol,
University of Washington, U.S.A., 1971.
10. Elizondo, G., Estudio de prefactibilidad para autosatisfacer las necesidades de energía eléctrica,
Proyecto de Graduación, Licenciatura en Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica,
San José, 1988.
11. González R.G., Obtención de alcohol a partir de desechos de madera, Proyecto de Graduación,
Licenciatura en Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica, San José, 1985.
12. Kirk Raymond, E., Enciclopedia de Tecnología Química, Primera edición, Tomo III, México, 1961.
13. Lehninger, A,, Curso breve de bioquímica, Omega. Barcelona, España, 1976.
14. López, A,, Estudio comparativo de la producción de etanol vía fermentación utilizando cuatro
sustratos diferentes preparados a partir de banano maduro, Proyecto de Graduación,
Licenciatura en Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica, San José, 1998.
15. Meade, G., Manual del azúcar de caña. Novena edición. Montanes y Simon, S.A. Barcelona,
España, 1967.
16. Phones, A., Principios de Microbiolo~ía,Editorial Acribia, Zaragoza, España, 1969.
17. Presscott, S.C., Microbiolosía Industrial, Aguilar S.A., Madrid, 1952.
18. Quesada, R.A., Análísís enerqético de un Ingenio Azucarero en Costa Rica, Proyecto de
Graduación, Licenciatura en Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica, San José,
1989.
19. Quintero, R., Inqeniería Bioquímica, Tercera edición, Editorial Alhambra Mexicana, S.A. México,
1993.
20. Robello, J., Caracterización del bagazo como fuente para producir enerqia electrica, Proyecto de
Graduación, Licenciatura en Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica, San José,
1989.
21. Sadermann, H,W., Las industrias químicas de la madera v economía de estas industrias en América
Latina Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas de la O.E.A., Turrialba, Costa Rica,
1968.
-
22. Scragg, A., Biotecnoloqía para lnqenieros en Sistemas Biolócricos en Procesos Tecnolócricos,
Limusa, México, 2002.
23. Suárez, C., Prehidrólisis ácida de la biomasa lianocelulósica del cardo "Onopordum nervosu Boiss:
Madrid: Junta de Energía Nuclear, España, 1983.
24. Vega, J.M., La Bioconversión de la ener~ía,Ediciones Pirámides, S.A., Madrid, 1993.
25. Vong Tsoi, A.M., Estudio de la producción de etanol mediante la fermentación de tres susfrafos
diferentes obtenidos a partir del banano, Proyecto de Graduación, Licenciatura en Ingeniería
Química, Universidad de Costa Rica, San José, 1996.
26. Ward Owen, P., Biotecnolo~íade la fermentación: principios, procesos v productos, Zaragoza:
Acribia, España, 1989.
27. www.fao.orqldocreplx5378slx5978503.html. : La sacarificación de la madera,1956.
28. www.unam.mxlpuellV CONGRESO PONENCIAS AMEElMiercoles 13¡lEMA0h2021SESION%20T
ECNICAISANDRA%20ALFONS0%20ALFRESO.pdr: Biocombusfibles a partir de recursos
liqnocelulósicos: estudio del caso, bagazo de caña en México, 2001.
Absorbancia
Concentración
Productividad de etanol
Relación bagazolcaña
Porcentaje
Temperatura
Volumen
Masa
a:
b:
f:
n:
t:
Pendiente
Intercepto
Factor de dilución
índice de refracción
Tiempo de residencia
Subíndices
A: Se refiere al etanol
H: Se refiere a la humedad
N: Se refiere al crisol mas muestra
P: Se refiere a la cápsula de porcelana
c:
d:
f:
g:
h:
i:
P:
q:
r:
S:
t:
u:
z:
Se refiere al crisol
Se refiere a azúcares consumidos
Se refiere a la fermentación
Se refiere a la glucosa
Se refiere a la hidrólisis
Se refiere a la cápsula de porcelana más la muestra sin tratar
Se refiere a la solución patrón
Se refiere a muestra calcinada
Se refiere a los azúcares reductores
Se refiere a los sólidos
Se refiere a la cápsula de porcelana más la muestra tratata
Se refiere a la glucosa consumida
Se refiere a las cenizas
1: Se refiere a la concentración inicial
2: Se refiere a la concentración final
02: Se refiere al oxígeno
Superíndices
20: Se refiere a ese valor de temperatura en "C
adim
mglmL
mglmL*h
glg
%
C
mL
9
O
(11°hvlv), (mLlmg)
Ohvlv, mglmL
adim
adim
min, h
DATOS EXPERIMENTALES
A.1 DATOS PARA LA CARACTERIZACIÓNDEL BAGAZO
Cuadro A.1.1 Datos para la determinción de sólidos y humedad del bagazo.
Masa cápsula de porcelana
Masa cápsula de porcelana
Masa cápsula porcelana
con muestra sin tratar
con muestra tratada
WP
Corrida
(9)
1
2
3
85,892 8
87,530 O
89,066 2
Wi
wt
(9)
95,890 6
97,530 3
99,063 2
(9)
91,005 5
92,690 3
94,230 2
Cuadro A.1.2 Datos para la determinación del contenido de cenizas en el bagazo seco.
Masa crisol
Masa crisol con muestra
Masa crisol calcinado
Corrida
WC
WN
wq
A.2 DATOS DE LAS PRUEBAS PRELIMINARES DE LA HIDRÓLISIS TÉRMICA
Cuadro A.2.1 Datos para las curvas de calibración utilizadas en la determinación de azúcares
reductores en las pruebas preliminares.
Concentración de azúcar reductor
Volumen
Absorbancia*
Cr
V
Ar
(mglmL)
(mL)
(adim)
o
o
o
0,035
7
1,047
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
APÉNDICE A DATOS EXPERIMENTALES
66
Cuadro A.2.2 Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, de las corridas del diseño experimental 23".
Absorbancia* para los azúcares
Absorbancia* para la glucosa
reductores
Corridas
Ar
Ag
(adim)
(adim)
1
0,642
0,544
1*
0,636
0,544
2
0,687
0,546
2*
0,684
0,563
3
0,418
0,146
3*
0,406
0,165
4
0,396
0,147
4*
0,418
0,164
5
0,659
0,659
5*
0,677
0,723
6
0,743
0,746
6*
0,755
0,730
7
0,570
0,324
7*
0,554
0,320
8
0,607
0,364
8*
0,638
0,346
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
* Se refiere a los valores de la rbplica.
" En autoclave a presión de 138 kPa.
Cuadro A.2.3 Datos de las absorbancias para la determinación de azúcares reductores y glucosa, de
las corridas del diseño experimental 32, utilizando un reactor de 2 L.
Abs.* para los
Abs.* para la
Abs.+ para los
Abs.+ para la
azúc.
glucosa
azúc. reductores
glucosa
Corridas
reductores
Ag
Corridas
Ar
Ag
Ar
(adim)
(adim)
(adim)
(adim)
1
0,290
5*
0,206
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
* Se refiere a los valores de la rbplica.
0,403
APÉNDICE A DATOS EXPERIMENTALES
67
A.3 DATOS DE LA ETAPA DE PREHIDRÓLISIS TÉRMICA DE LOS SUSTRATOS DE BAGAZO DE
CAÑA.
Cuadro A.3.1 Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y de
glucosa, de los sustratos prehidrolizados, para ser hidrolizados posteriormente a tres
diferentes temperaturas.
Absorbanciat para la glucosa Absorbanciat para los azúcares reductores
Tanda de
prehidrólisis
Ag
Ar
(adim)
(adim)
1
0,261
0,087
5"
O, 180
0,095
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
Sustratos prehidrolizados que se utilizaron posteriormente en las corridas de hidrblisis a 170 "C
" Sustratos prehidrolizados que se utilizaron posteriormente en las corridas de hidrblisis a 180 "C
m
Sustratos prehidrolizados que se utilizaron posteriormente en las corridas de hidrblisis a 190 "C
A.4 DATOS DE LA ETAPA DE HIDRÓLISIS TÉRMICA PARA LAS CORRIDAS EN ERLENMEYERS
Cuadro A.4.1 Datos para la curva de calibración utilizada en la determinación de azúcares
reductores de todas las corridas experimentales.
Concentración de azúcar reductor
Volumen
Absorbanciat
Cr
V
Ar
(mglm L)
(mL)
(adim)
o
o
o
0,035
7
1,116
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
Cuadro A.4.2 Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, de las corridas a una temperatura de hidrólisis de 170 "C, utilizando un reactor
de 2 L.
Absorbanciat para los azúcares reductores
Tiempo de hidrólisls Absorbanciat para la glucosa
th
&
A,
(min)
(adnm)
(adlm)
5
0,451
0,208
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
APÉNDICE A DATOS EXPERIMENTALES
68
Cuadro A.4.2 Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, de las corridas a una temperatura de hidrólisis de 170 "C, utilizando un reactor
de 2 L. (Continuación)
Tiempo de hidrólisis Absorbanciat para la glucosa
Absorbancia' para los azúcares reductores
th
A4
A,
(min)
1O
15
20
30
40
(adim)
0,659
0,729
0,611
0,599
0,381
(adim)
0,237
O,284
0,267
0,240
0,223
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
Cuadro A.4.3 Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, de las corridas a una temperatura de hidrólisis de 180 "C, utilizando un reactor
- - - -.
Tiempo de
hidrólisis
A
,
Aq
Absorbanciat para los azúcares reductores
Ar
(adim)
0,588
0,720
0,476
O,345
0,269
0,286
0,246
0,170
Absorbanciat para la glucosa
r
5
1O
15
25
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
Cuadro A.4.4 Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, de las corridas a una temperatura de hidrólisis de 190 "C, utilizando un reactor
de 2 L.
Tiempo de
Absorbanciat para los azúcares reductores
Absorbanciat para la glucosa
hidrólisis
Ag
A,
th
(adim)
(adim)
(min)
5
0,643
0,204
0,412
0,167
1O
15
0,323
0,163
20
0,337
O, 132
30
0,175
0,074
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
APÉNDICE A DATOS EXPERIMENTALES
69
A.5 DATOS DE LA ETAPA DE FERMENTACION PARA LAS CORRIDAS EN ERLENMEYERS
Cuadro A.5.1 Datos para la curva de calibración utilizada en la determinación del porcentaje de etanol,
de las corridas experimentales provenientes de sustratos hidrolizados a 170 "C.
Porcentaje de etanol
índice de refracción
E
n20
~IOVIV)
(adim)
O
1,333
Cuadro A.5.2 Datos para la curva de calibración utilizada en la determinación del porcentaje de etanol,
de las corridas experimentales provenientes de sustratos hidrolizados a 180 "C, 190 "C y
las dos corridas en el reactor de 5 L.
,Porcentaje de alcohol
lndice de refracción
E
n20
phvlv).
(adim)
O
1,332
2
1,333
3
1,333 50
5
1,334 75
8
1,336 50
1O
1,337 O
Cuadro A.5.3 Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores después de la
fermentación y valores de índices de refracción para calcular el porcentaje de etanol
producido en las fermentaciones, de las corridas provenientes de sustratos hidrolizados a
170 "C
Tiempo de Absorbanciat para los azúcares reductores
lndice de refracción
hidrólisis
Ar
n20
th
(adim)
(adim)
(min)
5
O, 189
1,333 25
40
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
O, 126
1,333
APÉNDICE A DATOS EXPERIMENTALES
70
Cuadro A.5.4 Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores después de la
fermentación y valores de indices de refracción para calcular el porcentaje de etanol
producido en las fermentaciones, de las corridas provenientes de sustratos hidrolizados a
-
Tiempo de
hidrólisis
th
(min)
5
Absorbanciat para los azúcares reductores
A,
(adim)
índice de refracción
n20
(adim)
0,242
1,332 75
O, 184
1,332 50
25
-
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
Cuadro A.5.5 Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores después de la
fermentación y valores de índices de refracción para calcular el porcentaje de etanol
producido en las fermentaciones, de las corridas provenientes de sustratos hidrolizados a
190 "C
Tiempo de
hidrólisis
Ih
(min)
5
Absorbanciat para los azúcares reductores
Ar
(adim)
índice de refracción
n20
(adim)
0,204
1,333
0,066
1,332 25
30
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
A.6 DATOS DE LAS CORRIDAS DE FERMENTACIÓNEN EL REACTOR DE 5 L
Cuadro A.6.1 Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, además se muestran los valores de índices de refracción para calcular los
porcentaies de etanol producidos; a diferentes tiempos de fermentación de la primera
corrida en el reactor de'5 L.
Tiempo de
Absorbanciat para los
Absorbanciat para la
índice de refracción
fermentación
azúcares reductores
glucosa
n20
tf
Ar
Ag
(adim)
(adim)
(h)
(adim)
O
0,226
0,989
1,332 25
11--
5
0,220
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
0,924
1,333
Cuadro A.6.1 Datos de las absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y
glucosa, además se muestran los valores de índices de refracción para calcular los
porcentajes de etanol producidos; a diferentes tiempos de fermentación de la primera
corrida en el reactor de 5 L. (Continuación)
Tiempo de
Absorbancia* para los
Absorbancia* para la
índice de refracción
fermentación
azúcares reductores
glucosa
n20
tf
Ar
Ag
(adim)
(adim)
(h)
(adim)
8
0,219
0,885
1,333
11
0,207
0,883
1,333
23
O, 190
0,883
1,333
26
0,192
0,861
1,333
29
0,160
0,840
1,333
32
0,110
0,705
1,333 5
35
0,110
0,715
1,333 5
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
Cuadro A.6.2 Datos de pH y concentración de oxígeno disuelto a diferentes tiempos de fermentación
de la primera corrida en el reactor de 5 L.
Tiempo de fermentación
Concentración de oxígeno disuelto
P
H
tf
coz
(adim)
(h)
(%)
Cuadro A.6.3 Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y glucosa, además
se muestran los valores de índices de refracción para calcular los porcentajes de etanol
producidos; a diferentes tiempos de fermentación de la segunda corrida en el reactor de 5
L.
Tiempo de
Absorbancia* para los
Absorbancia* para la
índicede refracción
fermentación
azúcares reductores
glucosa
n20
tf
Ar
Ag
(adim)
(h)
(adim)
(adim)
O
0,224
0,949
1,332 25
3
0,216
0,919
1,333
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
APÉNDICE A DATOS EXPERIMENTALES
72
Cuadro A.6.3 Absorbancias utilizadas para la determinación de azúcares reductores y glucosa, además
se muestran los valores de índices de refracción para calcular los porcentajes de etanol
producidos; a diferentes tiempos de fermentación de la segunda corrida en el reactor de 5
L. (Continuación)
Tiempo de
Absorbanciat para los
Absorbanciat para la
indica
de refraccid,,
fermentación
azúcares reductores
glucosa
n20
tf
Ar
Ag
(adim)
(h)
(adim)
(adim)
6
0,180
0,869
1,333
0,859
1,333
9
0,168
O, 165
0,843
1,333
11
0,836
1,333
24
O, 147
0,835
1,333
26
0,147
28
O, 132
0,831
1,333 5
31
0,121
0,793
1,333 5
0,800
1,333 5
35
0,130
+Las absorbacias se midieron a 500 nm
Cuadro A.6.4 Datos de pH y concentraciones de oxígeno disuelto a diferentes tiempos de fermentación
de la segunda corrida en el reactor de 5 L.
Concentración de oxígeno disuelto
Tiempo de fermentación
P
H
Coz
tf
(adim)
(h)
(%)
O
4,50
25,6
RESULTADOS INTERMEDIOS
6.1 RESULTADOS INTERMEDIOS SOBRE LA CARACTERIZACIÓN DEL BAGAZO
Cuadro 6.1.1 Porcentajes de la cantidad de sólidos, humedad y ceniza en el bagazo de la caña de
azúcar.
Porcentaje del contenido Porcentaje del contenido Porcentaje del contenido de
de humedad
ceniza*
de sólidos
Corrida
Ps
PH
P,
[%)
(%}
?/o)
1
48,9
51,l
2,94
2
48,4
51,6
3,15
3
48,3
51,7
2,87
Promedio
48,5
51,5
2,99
Contenido de ceniza en el bagazo seco
6.2 RESULTADOS INTERMEDIOS DE LAS PRUEBAS PRELIMINARES DE LA HIDRÓLISIS
TERMICA
1
Concentración de azúcares reductores, C, (mglmL)
Figura 6.2.1 Curva de calibración para la determinación de azúcares reductores de las
pruebas preliminares.
1
APÉNDICE B RESULTADOS INTERMEDIOS
74
Cuadro B,2.1 Ecuación de la curva de calibración en la determinación de concentración de azúcares
reductores de las pruebas preliminares.
Coeficiente de
Pendiente
Intercepto
correlación
b
Figura
Datos de origen
a
R2
(mumg)
(adim)
(adim)
B.2.1
Cuadro A.2.1, columnas 1 y 3
30,255
0,033 67
0,995
Cuadro 6.2.2 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa,
de todas las corridas del diseño experimental 23, utilizando un autoclave.
Conc. de azúc.
Conc. de
Conc. de azúc.
Conc. de
reductores
glucosa
Corridas
reductores
glucosa
Corridas
Cr
Cg
Cr
Cg
(mglmL)
(mglmL)
(mglmL)
(mglmL)
1
25,13
1,34
5
25,81
1,62
4*
15,91
0,40
8*
24,97
0,85
Se refiere a los valores de la rbplica.
Cuadro 8.2.3 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa,
de todas las corridas del diseño experimental 32, utilizando un reactor.
Conc. de azúc.
Conc. de
Conc. de azúc.
Conc. de
reductores
glucosa
reductores
glucosa
Corridas
Cr
cg
Corridas
Cr
cg
(mglmL)
(mglrn~)
(mglmL)
(mglmL)
1
10,65
1,91
6
3,54
1,O1
~
5*
7,20
* Se refiere a los valores de la rbplica.
0193
~
8.3 RESULTADOS INTERMEDIOS DE LA ETAPA DE PREHIDRÓLISIS
SUSTRATOS DE BAGAZO DE CARA.
TÉRMICA DE LOS
Cuadro B.3.1 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa,
de los sustratos prehidrolizados, para hidrolizarlos posteriormente a tres diferentes
temperaturas.
Conc. de glucosa
Conc. de azúc. reductores
Tanda de
prehidrólisis
cg
Cr
(mglmL)
(mgímL)
1'
o64
1,57
2"
o,%
4,06
3"'
0,45
1,68
4"'
0,44
1,88
5"
o#
1,88
* Sustratos prehidrolizados que se utilizaron posteriormenteen las corridas de hidróliis a 170 "C
" Sustratos prehidroliizados que se utilizaron posteriormenteen las comdas de hidrólsis a 180 "C
m
Sustratos prehidrolizados que se utilizaron postehamente en las cmidas de hidrólisi a 190 "C
8.4 RESULTADOS INTERMEDIOS DE LA ETAPA DE HIDR~LISISTÉRMICA PARA LAS
CORRIDAS EN ERLENMEYERS
1
Concentración de azúcares reductores, C, (adim)
Figura 8.4.1 Curva de calibración para la determinación de azúcares reductores de las
pruebas experimentales.
APÉNDICE B RESULTADOS INTERMEDIOS
76
Cuadro 8.4.1 Ecuación de la curva de calibración en la determinación de concentración de azúcares
reductores de las pruebas experimentales.
Coeficiente de
Pendiente
Intercepto
correlación
b
Figura
Datos de origen
a
R*
(mumg)
(adim)
(adim)
8.3.1
Cuadro A.3.1, columnas 1 y 3
32,107
0,046 75
0,993 4
Cuadro 8.4.2 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa,
de todas las corridas a temperaturas de hidrólisis de 170 'C, utilizando un reactor?e 2 L.
Tiempo de
Conc. de glucosa
Conc. de azúc. reductores
hidrólisis
Cr
T.
cg
lh
(mglrn~)
(mglmL)
(min)
5
1,25
6,28
Cuadro 8.4.3 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa,
de todas las corridas a temperaturas de hidrólisis de 180 "C, utilizando un reactor de 2 L.
Tiempo de
Conc. de glucosa
Conc. de azúcares reductores
hidrólisis
fi
Cr
lh
(mgh~)
(mglmL)
(min)
5
1.63
9,73
Cuadro 8.4.4 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y glucosa,
de todas las corridas a temperaturas de hidrólisis de 190 'C, utilizando un reactor de 2 L.
Tiempo de
Conc. de azúc. reductores
Conc. de glucosa
hidrólisis
Cg
Cr
Th
(min)
(mglmL)
(mglmL)
5
1,77
6,89
APÉNDICE B RESULTADOS INTERMEDIOS
77
B.5 RESULTADOS INTERMEDIOS DE LA ETAPA DE FERMENTACI~NPARA LAS
CORRIDAS EN ERLENMEYERS
1,333
1,33375
1,334
1,335
1,3365
1,3375
1,341
índice de refracción, nM (adim)
Figura B.5.1 Curva de calibración para la determinación de los porcentajes de etanol,
de las corridas experimentales provenientes de sustratos hidrolizados a 170 "C.
Cuadro B.5.1 Ecuación de la curva de calibración para la determinación de los porcentajes de etanol,
de las corridas experimentales provenientes de sustratos hidrolizados a 170 "C.
Coeficiente de
Pendiente
Intercepto
correlación
b
Figura
Datos de origen
a
R2
(%vlv)
(adim)
(adim)
B.4.1
Cuadro A.4.1, columnas 1 y 2
1 859,73
-2 478,12
0,984
Cuadro B.5.2 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y etanol,
producidas en las fermentaciones de 40 horas, de todas las corridas provenientes de
sustratos hidrolizados a temperaturas de hidrólisis de 170 "C.
Tiempo de
Conc. de azúc.
Porcentaje de etanol
Conc. de etanol
hidrólisis
reductores
PA
CA
fh
cr
(%v/v)
(mglmL)
(min)
(mglmL)
5
6,23
1,37
10,81
APÉNDICE B RESULTADOS INTERMEDIOS
78
índice de refracción, n20(adim)
Figura 8.5.2 Curva de calibración para la determinación de los porcentajes de etanol, de las
corridas experimentales provenientes de sustratos hidrolizados a 180 "C, 190 "C y las
dos corridas en el reactor de 5 L.
Cuadro B.5.3 Ecuación de la curva de calibración para la determinación de los porcentajes de etanol,
de las corridas experimentales provenientes de sustratos hidrolizados a 180 "C, 190 "C y
las dos corridas en el reactor de 5 L.
Coeficiente de
Pendiente
Intercepto
correlación
Figura
Datos de origen
b
a
R*
(%vlv)
(adim)
(adim)
B.4.2
Cuadro A.4.2, columnas 1 y 2
1 889,53
-2 516,83
0,996
Cuadro 8.5.4 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y etanol,
producidas en las fermentaciones de 40 horas, de todas las corridas provenientes de
sustratos hidrolizados a temperaturas de hidrólisis de 180 "C.
Porcentaje de etanol
Conc. de etanol
Tiempo de
Conc. de azúc.
hidrólisis
reductores
CA
PA
fh
Cr
(%v/v)
(mglmL)
(min)
(mglmL)
5
7,87
1,44
11,36
APENDICE B RESULTADOS INTERMEDIOS
79
Cuadro 0.5.5 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores y etanol,
producidas en las fermentaciones de 40 horas, de todas las corridas provenientes de
sustratos hidrolizados a temperaturas de hidrólisis de 190 "C.
Tiempo de
Conc. de
Porcentaje de etanol
Conc. de etanol
hidrólisis
azúc.reductores
PA
CA
fh
Cr
(%v/v)
(mglmL)
(min)
(mglmL)
5
6,12
1,91
15,07
1O
4,25
1,91
15,07
15
4,09
2,39
18,86
20
3,09
0,97
7,65
30
0.84
0.5
3.95
0.6 RESULTADOS INTERMEDIOS DE LAS CORRIDAS DE FERMENTACI~NEN EL REACTOR DE
5L
Cuadro 0.6.1 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores, glucosa y
etanol, a diferentes tiempos de fermentación de la primera corrida en el reactor de 5 L.
Tiempo de
Conc. de
Conc.de glucosa
Porcentaje de
Conc. de etanol
fermentación
azuc.reductores
co
etanol
cA
tf
Cr
(mglmL)
PA
(mglmL)
Cuadro 0.6.2 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores, glucosa y
etanol, a diferentes tiempos de fermentación de la segunda corrida en el reactor de 5 L.
Tiempo de
Conc. de azúc. Conc. de glucosa Porcentaje de
Conc. de etanol
fermentación
reductores
co
etanol
CA
tf
Cr
(mglmL)
PA
(mglmL)
(h)
(mglmL)
(%vlv)
O
6,90
2,33
0,OO
3
6,59
2,26
1,91
15,IO
6
5,19
2,14
1,91
15,IO
APÉNDICE B RESULTADOS INTERMEDIOS
80
Cuadro 8.6.2 Resultados de los cálculos de las concentraciones de los azúcares reductores, glucosa y
etanol, a diferentes tiempos de fermentación de la segunda
- corrida en el reactor de 5 L.
(Continuación)
Tiempo de
Conc. de azúc. Conc. de glucosa
Porcentaje de
Conc. de etanol
fermentacibn
reductores
cg
etanol
CA
tf
Cr
(mglmL)
PA
(mglmL)
(h)
(mglmL)
(%vlv)
9
4,72
2,11
1,91
15,lO
11
4,60
2,07
1,91
15,lO
24
3,90
2,05
1,91
15,lO
26
3,90
2,05
1,91
15,lO
28
4,15
2,04
2,86
22,55
31
2,89
1,95
2,86
22,55
35
3,24
1,97
2,86
22,55
MUESTRA D E CÁLCULO
C.l CALCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE GLUCOSA
El cálculo del contenido de glucosa en las muestras prehidrolizadas e hidrolizadas, se realiza mediante
la aplicación de la siguiente ecuación:
Sustituyendo en la relación anterior el dato del Cuadro A.3.1, columna 2, fila 2 para Agl un valor de f = 1,
un valor de Cp = 1 mglmL y un valor de Ap = 0,407 se tiene que:
Este valor corresponde al dato del Cuadro B.3.1, columna 2, fila 2. De igual forma se calculó la
concentración de glucosa de las otras muestras.
C.2 CALCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE AZÚCARES REDUCTORES
El cálculo del contenido de azucares reductores se realiza mediante la aplicación de la siguiente
ecuación:
APÉNDICE C MUESTRA DE CALCULO
Sustituyendo en la ecuación C.2 el dato del Cuadro A.3.1, columna 3, fila 2 para A, con los valores de a
y b del Cuadro 8.4.1, columnas 3 y 4, fila 2; un valor de f = 1 406,25 para las determinaciones de los
azucares reductores después de la hidrólisis térmica y f = 1 250 para calcular los correspondientes de
las etapas de prehidrólisis y fermentación. Se tiene que:
Este valor corresponde al dato del Cuadro 8.3.1, columna 3, fila 2. De igual forma se calculó la
concentración de azúcares reductores de las otras muestras.
C.3 CALCULO DEL PORCENTAJE DE ETANOL A PARTIR DEL ~NDICEDE REFRACCIÓN
El cálculo del contenido de alcohol etílico, se realiza mediante la aplicación de la ecuación de la curva
de calibración para determinar el porcentaje de etanol en función del índice de refracción, que se
presenta a continuación:
P, = u n 20 - b
(C.3)
Los parámetros de esta curva para obtener los porcentajes de etanol producidos para las corridas de
hidrólisis a 170 "C luego de sus fermentaciones, se muestran en el Cuadro 8.5.1, columnas 2 y 3, fila 2.
Mientras que los correspondientes para las restantes corridas se encuentran en el Cuadro 8.5.3,
columnas 2 y 3, fila 2.
Para el dato del índice de refracción del Cuadro A.5.3, columna 3, fila 2, al aplicar la ecuación C.3, se
obtiene que:
PA = (1 859,73). (1,333 25)- 2 478,12 = 1,37 % v l v
Este valor se encuentra en el Cuadro 8.5.2, columna 3, fila 2. De igual forma se calculó el porcentaje de
etanol de las otras muestras.
APÉNDICE C MUESTRA DE CALCULO
83
C.4 CALCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE ETANOL
El calculo del contenido de etanol se realiza mediante la aplicación de la siguiente ecuación:
Sustituyendo en la ecuación C.4 el dato del Cuadro 8.5.2, columna 3, fila 2 para PA,se tiene que:
Este valor corresponde al dato del Cuadro 8.5.2, columna 4, fila 2. De igual forma se calculó la
concentración de etanol de las otras muestras.
C.5 CALCULO DEL PORCENTAJE DE AZUCARES CONSUMIDOS
El calculo del porcentaje de los azucares reductoes consumidos, se realiza mediante la aplicación de la
siguiente ecuación:
Para la determinación del porcentaje de azúcares reductores consumidos, se sustituye en esta fórmula,
los valores del Cuadro 8.4.2, columna 3, fila 2 y Cuadro 8.5.2, columna 2, fila 2, se tiene que:
Este valor corresponde al dato del Cuadro 6.7, columna 2, fila 4. De igual forma se calculó el porcentaje
de azucares reductores consumidos de las otras muestras.
AP~NDICEC MUESTRA DE CALCULO
84
C.6 CALCULO DE LA PRODUCTIVIDAD DE ETANOL
El calculo de la productividad de etanol, se realiza mediante la aplicación de la siguiente ecuación:
Para la determinación de la productividad de etanol, se sustituye en esta fórmula, el valor del Cuadro
B.5.2, columna 4, fila 2, para un tiempo de fermentación de 40 horas, se tiene que:
Este valor corresponde al dato del Cuadro 6.8, columna 2, fila 2. De igual forma se calculó la
productividad de etanol de las otras muestras.
D.1 DETERMINACIÓN DE MUCARES REDUCTORES POR EL MÉTODO DE NELSON-SOMOGYI
Reactivo de sulfato de cobre
1. Disuelva 28 g de fosfato monoácido de sodio anhidrido (Na2HP04) y 40 g de tartrato de sodio y
potasio, en cerca de 500 mL de agua destilada.
2. AAada 100 mL de hidróxido de sodio (NaOH) 1 M con agitación y 80 mL de una solución de sulfato
de cobre al 10 % plv.
3. Cuando todo lo anterior se haya disuelto, añada 180 g de sulfato de sodio anhidrido (Na2S04) y
agite.
4. Diluya a 1 litro. Deje reposar el reactivo por un día y luego decante el líquido supernatante claro.
Este reactivo se conserva indefinidamente.
Reactivo de arsenomolibdato
1. Disuelva 25 g de heptamolibdato de amonio en 450 mL de agua destilada.
2. Añada 21 mL de ácido sulfúrico concentrado y mezcle.
3. Agregue 3 g de arseniato de sodio heptahidratado (Na2HAs04.7H 20) disueltos en 25 mL de agua
destilada.
4. Mezcle e incube a 37 "C por 24 - 48 h. Almacene en una botella oscura, preferiblemente dentro de
un armario.
Solución estándar de qlucosa
Tomar 1 g de glucosa previamente secada a 110 "C por dos horas, disolver en agua destilada y aforar a
1 litro. De esta solución se toman 5 mL y se aforan a 100 ml con agua destilada. Luego se toman O, 1,
2, 3,4, 5, 6 y 7 mL para hacer la curva de calibración. Para conservar la solución estándar de glucosa
es preciso congelarla a 4 "C.
D.1.2 Determinación
1. Deben correrse un blanco y una serie de patrones con cada serie de muestras desconocidas.
2. Ponga O, 1, 2, 3,4, 5,6 y 7 mL de la solución estándar si va a realizar la curva patrón, o 2 mL de la
solución prueba y 2 mL del reactivo de cobre en cada tubo. Agite bien en conjunto y tape los tubos.
3. Ponga el lote de tubos en un baño de agua en ebullición por 10 minutos y luego enfríe por 5
minutos en agua de cañería.
4. Añada 1 mL del reactivo de arsenomolibdato y después mezcle haciendo uso de un agitador de
tubos.
5. Diluya el contenido de los tubos a un volumen definido de 10 mL o 15 mL. Vuelva a mezclar.
6. Mida la absorbancia a 500 nm.
D.1.3 Preparación de la muestra
1, La mezcla se filtra al vacío utilizando un papel de filtro # 2, se realizan dos lavados de la torta con
agua destilada.
2. Se toman 10 mL del líquido filtrado, se afora a 250 mL con agua destilada; se toman 10 mL de
este y se afora a 100 mL.
3. Se realiza la determinación de azúcares reductores mediante el método indicado anteriormente.
Notas
$
El color azul que se desarrolla es muy estable.
Q Las condiciones de calentamiento deben estandarizarse rígidamente y todos los tubos en una serie
deben ponerse en el baño de maría, removerse y enfriarse simultáneamente. El baño de maría en
ebullición debe calentarse de tal manera, que solamente deje hervir unos pocos segundos cuando
los tubos se introducen en él.
D.2 DETERMINACIÓN DE GLUCOSA POR EL MÉTODO DE TRINDER
D.2.1 Fundamento
La glucosa oxidasa convierte la glucosa en ácido D-glucónico y peróxido de hidrógeno. La peroxidasa
cataliza la oxidación de la 4-aminofenazona y su subsecuente reacción con un fenol. El producto final
absorbe a 500 nm. La intensidad del color rosado es directamente proporcional a la concentración de
glucosa.
D.2.2 Reactivos
Reactivo de color de qlucosa
Glucosa oxidasa 15 kUIL, peroxidasa 1,2 kUIL, 4-AAP 1,O mM, p-hidroxibenzoato 15 mM,
estabilizadores y detergentes. El reactivo es estable hasta la fecha que aparece en la etiqueta. Al
utilizarlo, se debe mezclar suavemente para disolver porque la agitación fuerte puede desnaturalizar la
enzima. Se debe proteger de la luz y el reativo es estable por tres meses en refrigeración.
Solución estándar de qlucosa
Tomar 1 g de glucosa previamente secada a 110 "C por dos horas, disolver en agua destilada y aforar a
1 litro. De esta solución se toman 0, 10, 20, 30 y 40 mL y se aforan a 100 mL con agua destilada para
hacer la curva de calibración.
D.2.3 Determinación
1. Deben correrse un blanco y una serie de patrones con cada serie de muestras desconocidas.
2. Se colocan 3 mL del reactivo de color para glucosa en tubos etiquetados: blanco, patrones y
muestras.
3. Agregar 20 p L de agua destilada, patrones de glucosa y muestras a los tubos correspondientes.
Agite bien en conjunto y tape los tubos.
4. Ponga el lote de tubos en un baño de maría a 37 "C por 10 minutos.
5. Mida la absorbancia a 500 nm.
D.2.4 Preparación de la muestra
La mezcla se filtra al vacío utilizando un papel de filtro # 2, se realizan dos lavados de la torta con agua
destilada.
1. Se realiza la determinación de glucosa con el método indicado anteriormente.
Notas
+
Los detergentes comerciales no iónicos causan una decoloración del producto final de la reacción.
Toda la cristalería lavarse bien con agua destilada antes de usarse.
+
La linealidad se mantiene hasta 500 mgldL, usando cubetas de 10 mm de paso de luz y un
espectrofotómetro digital.
+
La muestra debe leerse durante los 30 minutos siguientes al desarrollo del color.
D.3 DETERMINACI~NDEL PORCENTAJE DE ETANOL
El procedimiento consiste en filtrar el mosto fermentado, luego se toma una alícuota de 50 mL del
filtrado por medio de una pipeta para trasladarla a un balón de 100 mL, el cual se afora con agua
destilada. La destilación se realiza hasta obtener un volumen de 50 mL de destilado; luego se determina
el índice de refracción a una temperatura de 20 "C, utilizando un refractómetro. Se debe disponer de
una curva de calibración del índice de refracción, para disoluciones de etanol en agua hasta de un 10 %
vlv.