DERECHOS RESERVADOS

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUIMICA
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SE
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H
C
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VA
DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO DE BIOETANOL OBTENIDO A PARTIR
DE LA FERMENTACIÓN ALCOHOLICA DE RESIDUOS CÍTRICOS
Trabajo Especial de Grado presentado ante la
Universidad Rafael Urdaneta para optar al título de:
INGENIERO QUÍMICO
Autores:
Br. RAMIREZ, ALBELIS
Br. ROSAS, ARIANNA
Tutor:
Maracaibo, septiembre de 2015
Ing. Waldo Urribarrí
DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO DE BIOETANOL OBTENIDO A PARTIR
DE LA FERMENTACIÓN ALCOHOLICA DE RESIDUOS CÍTRICOS
D
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SE
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R
S
O
H
C
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ER
Albelis Mariana Ramírez Lozano
CI.: 19.450.976
Dirección: Sector Cañada Honda av. 40E,
casa 33G-105
Telf.: (0412) 070 9331
[email protected]
S
O
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VA
Arianna Vanessa Rosas Pírela
CI.: 20.283.231
Dirección: Urb. San Francisco av. 38,
sector 8, casa 7
Telf.: (0424) 645 5366
[email protected]
Tutor académico
Ing. Waldo Urribarrí
VEREDICTO
Nosotros
Profesores:________________________________________,
y
_______________________________, designados como Jurado Examinador del
Trabajo Especial de Grado, “DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO DE
S
O
D
A Lozano,
DE RESIDUOS CÍTRICOS”. Presentado por las Bachilleres:
Ramírez
V
R
SEVanessa C.I:, nos hemos
E
Albelis Mariana, C.I: 19.450.976 y Rosas Pírela,
Arianna
R
S del interrogatorio correspondiente, lo
O
reunido para revisar dicho trabajoH
y después
C
E
R
hemos aprobado E
Dcon ___________ de acuerdo con las normas vigentes
BIOETANOL OBTENIDO A PARTIR DE LA FERMENTACIÓN ALCOHOLICA
aprobadas por el Consejo Académico de la Universidad Rafael Urdaneta, para la
Evaluación de los Trabajos Especiales de Grado para optar al Título de Ingeniero
Químico. En fe de lo cual firmamos, en Maracaibo, a los ___ días del mes de
Septiembre de 2015.
Tutor académico
Ing. Waldo Urribarrí
Prof.: Eudo Osorio
Jurado Evaluador
Prof.: José R. Ferrer
Jurado Evaluador
DEDICATORIA
A ti mi Dios por cada oportunidad que me presentas cada día, y renovar mi fuerza
y mi valor para continuar hacia adelante en aquellas circunstancias y tiempos
difíciles donde sentía decaer y no me permitiste dejarme caer, porque cuando vi
S
O
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VA
cerrar una puerta tú te encargaste de abrir mil frente a mí, permitiéndome la
ER
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R
A mis padres por estar siempre cerca S
de mí
en los momentos difíciles; y por
O
H adquirir nuevos conocimientos, nunca
impulsarme todos los días
aC
estudiar,
E
R día. En especial a mi madre Lissette Lozano por darme
DEcada
rendirme y ser mejor
victoria con este logro cumplido.
la vida, su amor, su dedicación, sus consejos, por dar todo para que yo fuera la
mujer que hoy soy, por enseñarme que aun en los momentos más difíciles se
puede salir adelante, gracias por estar conmigo, te amo, eres mi guía y mi
ejemplo. Este triunfo es tuyo. Igualmente a mis hermanos Norbelys y Juan De Dios
que son parte de mi inspiración para salir adelante.
A Gisela Urdaneta por estar tanto para los buenos momentos como para los
malos; por su amistad incondicional. Y a mi amiga Arianna Rosas por su apoyo, su
verdadera amistad y compañía durante este largo tiempo son algunas de las
cosas más valiosas que me ha ofrecido. Por la convivencia de todas esas
experiencias compartidas y bien vividas dentro y fuera de la universidad, son esas
pequeñas y grandes cosas que suelen marcar diferencias.
Y al Ingeniero Abraham Pulido por creer en mí, llenar mi mundo de alegría y por
su gran apoyo incondicional, se te quiere mucho, gracias por todo. Y a mis amigos
Ángelo P., Mariangela N., José Daniel E. y Jeccy E. que estuvieron allí para
ayudarme y apoyarme.
Albelis Mariana Ramírez Lozano
DEDICATORIA
A Dios todopoderoso por haberme guiado por el camino correcto por que cuando
decaía el estaba ahí llenándome de fortaleza fe y sabiduría y enseñándome que
cuando una puerta de cierra mil se abren a mi alrededor, tu grandeza es infinita mi
S
O
D
A
A mi mama abuela Lilia Ramos por haberme orientado en la vida,
enseñándome
el
V
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SEafrontar cada una de las
camino del éxito dándome su apoyo incondicional
para
E
R
Ssu esfuerzo y dedicación me ayudaron
adversidades que se me presentaron,
con
O
H
C
E
con mi formación profesional.
R
DE
Dios.
A mis tíos Lilinda Pírela y Ángel Prieto por su gran ayuda y apoyo incondicional
por orientar mi camino y enseñarme grandes valores, por impulsarme cada día a
adquirir nuevos conocimientos, a seguir adelante y nunca rendirme.
A mi tía Celmira Cordero que hoy descansa en los brazos de mi Dios
todopoderoso pero en vida me dio todo su apoyo y grandes consejos para poder
llegar a cumplir esta gran meta.
A mi papa y a mi mama por brindarme su confianza y apoyo. A mis hermanos y
primos, sobrinos que son mi inspiración.
Al Ingeniero Fermín Cortez por haber estado siempre a mi lado, brindándome su
apoyo y creyendo siempre en mí.
A mi futura colega, compañera y amiga Albelis Ramírez por compartir conmigo
tantos momentos durante este largo camino, por su confianza y apoyo en todo.
A mis amigos Angelic Barrios, Rubby Romero, y todas y cada unas de las
personas que colocaron un granito de arena y estuvieron conmigo en este largo
camino.
Arianna Vanessa Rosas Pírela
AGRADECIMIENTO
Agradecemos principalmente a dios por habernos regalado la oportunidad de
alcanzar esta meta tan hermosa y permitirnos tener la dicha de haber estudiado
esta increíble y hermosa carrera.
S
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Al Ingeniero Miguel Ángel Primera por su apoyo, conocimiento y experiencia que
nos permitió llevar a cabo en el proceso y ser una pieza fundamental en la
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H
C
E
ER
realización de esta investigación.
D
Agradecemos al cuerpo de Bomberos Maracaibo por habernos abierto la puerta a
la oportunidad de poder llevar a cabo nuestro trabajo de grado y permitirnos
utilizar sus equipos e instalaciones para la ejecución de este proyecto.
Agradecemos a la Universidad Rafael Urdaneta y a sus profesores en el área de
Ingeniería y carrera a fin, por brindarnos la oportunidad de adquirir los
conocimientos necesarios para enfrentar nuestro futuro profesional.
Al ingeniero José Ferrer Reverol, por la orientación en este trabajo.
Al Profesor Waldo Urribarrí, nuestro tutor académico, por aceptarnos y habernos
guiado en la realización de este trabajo compartiendo sus conocimientos y en
especial en poner su confianza en nosotras.
A todos los que contribuyeron para la realización de este trabajo.
Arianna Rosas y Albelis Ramírez
INDICE GENERAL
RESUMEN
ABSTRACT
S19
O
D
VA
pág.
ER
S
E
R
1. CAPITULO I. EL PROBLEMA......................................................................
S
HO
1.1. Planteamiento del problema………………………………………………….
C
E
R
DlaEInvestigación....................................................................
1.2. Objetivos de
21
1.2.1. Objetivo General……………………………………………………………..
24
1.2.2. Objetivos Específicos……………………………………………………….
24
1.3. Justificación…………………………………………………………………….
24
1.4. Delimitación…………………………………………………………………….
25
1.4.1. Delimitación espacial……………………………………………………….
26
1.4.2. Delimitación temporal……………………………………………………….
26
1.4.3. Delimitación científica……………………………………………………….
26
2. CAPITULO II. MARCO TEÓRICO……………………………………………...
27
2.1. Antecedentes de la investigación…………………………………………….
28
2.2. Bases teóricas………………………………………………………………….
31
2.2.1. Etanol………………………………………………………………..………..
31
2.2.1.1. Etanol como combustible (alcohol carburante)………………………...
33
2.2.1.2. El etanol como combustible limpio………………………………………
34
2.2.1.3.El etanol y el medio ambiente…………………………………………….
35
2.2.2. Biocombustible……………………………………………………………….
36
INTRODUCCIÓN
21
23
2.2.3. Bioetanol…………………………………………………………………….
37
2.2.3.1. Producción de bioetanol…………………………………………………
38
2.2.4. Biomasa lignocelulósica…………………………………………………...
40
2.2.4.1. Biomasa…………………….……………………………………………..
40
2.2.4.1.1. Fuentes de biomasa…………………………………………………...
40
2.2.4.1.2. Características de la biomasa………………………………………..
40
2.2.4.2. Lignocelulósica…………………………………………………………...
41
S43
O
D
A
2.2.4.2.2. Celulosa…………………………………………………………………
44
V
R
E
S
2.2.4.2.3. Hemicelulosa…………………………………………………………...
44
E
R
S
2.2.4.2.4. Lignina…………………………………………………………………..
44
HO
C
E
Rde biomasa lignocelulósica………………………... 45
2.2.4.3. Bioetanol aE
partir
D
2.2.4.3.1. Pre tratamiento del material lignocelulósico………………………..
45
2.2.4.2.1. Composición y estructura……………………………………………..
2.2.4.3.1.1. Hidrólisis………………………………………………………………
47
2.2.4.3.2.1. Hidrólisis acida……………………………………………………….
47
2.2.4.3.2.2. Hidrólisis enzimática………………………………………………...
48
2.2.5. Fermentación……………………………………………………………….
48
2.2.5.1. Tipos de fermentación…………………………………………………...
49
2.2.5.1.1. Fermentación alcohólica………………………………………………
49
2.2.5.1.2. Fermentación acética………………………………………………….
51
2.2.5.1.3. Fermentación glicerina………………………………………………..
51
2.2.5.1.4. Fermentación butírica…………………………………………………
52
2.2.5.1.5. Fermentación láctica…………………………………………………..
52
2.2.5.2. Fases de una fermentación……………………………………………..
53
2.2.5.3. Condiciones a medir y controlar en el proceso de fermentación…..
54
2.2.5.4. Limitantes de la fermentación…………………………………………..
55
2.2.5.5. Bioquímica de la fermentación alcohólica……………………………..
58
2.2.5.6. Microorganismos…………………………………………………………
58
2.2.5.7. Microorganismos usados en la fermentación alcohólica…………….
59
2.2.5.8. Fisiología del crecimiento……………………………………………….
59
2.2.5.9. Influencia del entorno……………………………………………………
61
2.2.5.10. Saccharomyces cerevisiae……………………………………….……
61
2.2.5.11. Principales productos de la fermentación alcohólica………….……
63
2.2.6. Ácido sulfúrico……………………………………………………….……..
63
2.2.6.1. Usos………………………………………………………………….……
65
2.2.6.2. Identificación de riesgos………………………………………….……..
66
2.2.6.3. Precauciones……………………………………………………….…….
66
S67
O
D
A
2.2.7.1. Tipos de destilación……………………………………………………...
67
V
R
E
S
2.2.7.1.1. Destilación Simple…………………………………………………….
67
E
R
S
2.2.7.1.2. Destilación fraccionada………………………………………………..
68
HO
C
E
R
2.2.7.1.3. Destilación
68
Eazeotrópica………………………………………………..
D
2.2.8. Grado Brix…………………………………………………………………..
68
2.2.7. Destilación…………………………………………………………….…….
2.2.8.1. Usos……………………………………………………………………….
69
2.2.9. Cromatografía de gases…………………………………………………...
70
2.2.9.1. Principios de la técnica………………………………………………….
70
2.2.9.2. Aplicaciones………………………………….…………………….….….
72
2.2.9.3. Cromatografía de gases (FID)………………………………………….
72
2.2.10. Materia prima……………………………………………………….……..
75
2.2.10.1. Naranja………………………………………………………….……….
75
2.2.10.2. Propiedades de la naranja…………………………………………….
77
2.2.10.3. Tipos azúcares de las naranjas………………….……………………
77
2.2.10.4. Cascara de la naranja…………………………….……………………
78
2.3.10.5. Contenido de fructosa………………………………………………………….
79
2.2.10.6. Usos……………………………………………………………………...
79
2.2.11. Limón……………………………………………………………………….
79
2.2.11.1. Propiedades……………………………………………………………..
80
2.2.11.2. Usos y características………………………………………………….
80
2.2.12. Piña…………………………………………………………………………
81
2.2.12.1. Índice glucémico de la piña……………………………………………
82
2.2.12.2. Propiedades……………………………………………………………..
83
2.2.13. Parchita…………………………………………………………………….
84
2.2.13.1. Propiedades……………………………………………………………..
85
2.2.13.2. Características………………………………………………………….
85
2.2.13.3. Usos……………………………………………………………………...
86
2.3. Términos Básicos…………………………………………………………….
86
2.4. Sistema de variables…………………………………………………………
95
S
O
D
VA
ER
S
E
R
3.1. Tipo de investigación…………………………………………………………
S
HO
3.2. Diseño de investigación……………………………………………………...
C
E
ER de datos…………………………………………..
3.3. Técnicas de
Drecolección
3. CAPITULO III. MARCO METODOLÓGICO………………………………….
96
96
97
98
3.3.1. Observación directa………………………………………………………..
98
3.3.2. Observación indirecta……………………………………………………...
99
3.4. Instrumentos de técnicas de recolección de datos……………………….
99
3.5. Fases de la investigación……………………………………………………
102
3.5.1. Fase 1. Caracterizar físico-químicamente el extracto de los residuos
cítricos………………………………………………………………………………
103
3.5.1.1. Residuos cítricos…………………………………………………………
103
3.5.1.2. Características de los residuos cítricos……………………………….
103
3.5.2. Fase 2. Realización de la fermentación alcohólica de los residuos
cítricos………………………………………………………………………………
104
3.5.3. Fase 3. Caracterización físico-química del licor………………………..
108
3.5.4. Fase 4. Determinación del rendimiento bruto y neto del bioetanol…..
111
3.5.4.1. Separación del bioetanol del destilado………………………………... 111
3.5.4.2. Evaluación del rendimiento bruto………………………………………
113
3.5.4.3. Evaluación del rendimiento neto……………………………………….
115
4. CAPITULO IV. ANALISIS DE RESULTADOS………………………………
117
4.1. Caracterizar físico-químicamente el extracto de los residuos cítricos….
117
4.1.1. Residuos cítricos…………………………………………………………...
118
4.1.2. Características de los residuos cítricos………………………………….
119
4.2. Realizar la fermentación alcohólica de los residuos cítricos…………….
120
4.3. Caracterización físico-química del licor……………………………………. 122
4.4. Determinar el rendimiento bruto y neto del bioetanol…………………….
124
4.4.1. Separación del bioetanol del destilado…………………………………..
124
S
O
D
A 126
4.4.3. Evaluación del rendimiento neto………………………………………….
V
R
SE
CONCLUSIONES………………………………………………………………….
128
E
R
S
RECOMENDACIONES……………………………………………………………
129
HO
C
E
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS……………………………………………..
130
ER
D
ANEXOS…………………………..……………………………………………….. 139
4.4.2. Evaluación del rendimiento bruto………………………………………… 125
INDICE DE TABLAS
pág.
2.1. Características del ácido sulfúrico…………………………………………..
64
S77
O
D
A
2.4. Composición del limón……………………………………………………….
80
V
R
E
S
E
2.5. Índice glusemico de la piña………………………………………………….
83
R
S
2.6. Composición de la piña………………………………………………………
83
HO
C
E
2.7. Composición de
DElaRparchita…………………………………………………. 85
2.2. Propiedades físicas y químicas del ácido sulfúrico……………………….
64
2.3. Composición de la naranja…………………………………………………..
3.1. Tipos de residuos cítricos y cantidad……………………………………….
100
3.2. Caracterización físico-química del jugo extraído de la concha de los
residuos cítricos……………………………………………………………………
100
3.3. Seguimiento de los oBrix en el proceso de fermentación………….…….
101
3.4. Caracterización físico-química del licor obtenido a partir de la
fermentación………………………………………………………………………..
101
3.5. Cantidad de destilado………………………………………………………...
102
3.6. Concentración de bioetanol por cromatografía……………………………
102
3.7. Cantidades en volumen evaluadas por la energía……………………….
102
4.1. Tipos de residuos cítricos y cantidad………………………………………
118
4.2. Selección y cantidad de los residuos cítricos………………………….….
118
4.3. Caracterización físico-química del extracto de la concha de los
residuos cítricos……………………………………………………………….…..
119
4.4. Seguimiento de los oBrix en el proceso de fermentación……………….
121
4.5. Caracterización físico-química del licor obtenido a partir de la
fermentación……………………………………………………………….……….
122
4.6. Cantidad de destilado………………………………………………………..
124
4.7. % de destilado………………………………………………………………...
125
4.8. Concentración de bioetanol por cromatografía……………………………
125
4.9. Resultados de la pureza de bioetanol por cromatografía………………..
126
4.10. Resultados en la determinación del rendimiento bruto………….……..
126
4.11. Cantidades en volumen evaluadas por la energía…………….………..
127
4.12. Cantidades evaluadas por la energía…………………………………….
127
4.13. Resultados en la determinación del rendimiento neto………………….
128
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
INDICE DE FIGURAS
pág.
2.1. Estructura molecular del etanol……………………………………………...
32
S39
O
D
A
2.4. Estructura de la lignocelulosa.……………………………………………….
43
V
R
E
S
E
2.5. Técnicas de pre tratamiento…………………………………………………
46
R
S
2.6. Tipos de fermentaciones de varios
HOmicroorganismos……………………. 53
C
E
2.7. Levadura sacharomyces
DER cerevisiae………….…………………………….. 62
2.2. Tipo de producción global de bioetanol…………………………………….
38
2.3. Vías para la producción de bioetanol……………………………………….
2.8. Aplicación de las fases estacionaria de la columna estacionaria…….….
73
2.9. Esquema general del detector FID………………………………………….
74
2.10. Naranja………………………………………………………………………..
76
2.11. Cascara de naranja………………………………………………………….
78
2.12. Limón………………………………………………………………………….
80
2.13. Piña……………………………………………………………………………
82
2.14. Parchita……………………………………………………………………….
85
Ramírez L., Albelis M., Rosas P., Arianna V. “Determinación del rendimiento de
bioetanol obtenido a partir de la fermentación alcohólica de residuos
cítricos”. Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Químico.
Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería
Química. Maracaibo, Venezuela, 2015. 150 pág.
RESUMEN
S
O
D
VA
ER
S
E
El presente estudio tuvo como propósito
laR
determinación del rendimiento de
S
O
bioetanol obtenido a partir de la H
fermentación
alcohólica de residuos cítricos, el
C
E
cual se llevó a caboR
de una investigación de tipo descriptiva y
E a travésdirecta
Dobservación
experimental con
e indirecta. Se seleccionó como materia
prima cascaras de residuos cítricos como naranja, piña, parchita y limón. La
fermentación alcohólica fue realizada utilizando la levadura Saccharomyces
Cerevisiae para las dos muestras de trabajo con y sin acido sulfúrico. Luego se
realizaron destilaciones simples al extracto recolectado en ambas fermentaciones,
obteniéndose un rendimiento bruto de bioetanol de 10% para la muestra con acido
sulfúrico y 6% para la muestra sin acido sulfúrico. El rendimiento neto para ambas
muestras fue de 7.44% y 0.44%, respectivamente. Se concluye que es factible la
fermentación alcohólica de estos residuos debido a la obtención de bioetanol con
un alto contenido de pureza en ambas muestras.
PALABRAS CLAVES: etanol, fermentación alcohólica, cascaras de residuos
cítricos, levadura.
[email protected]
[email protected]
Ramirez L., Albelis M., Rosas P., Arianna V. "Determining the performance of
bioethanol obtained from the fermentation of citrus waste." Degree thesis for
the degree in Chemical Engineering. Universidad Rafael Urdaneta. Faculty of
Engineering. School of Chemical Engineering. Maracaibo, Venezuela, 2015. 150
pág.
ABSTRACT
S
O
D
VA
ER
S
E
R
The present study was aimed to determining
the performance of bioethanol
S
O
obtained from the fermentation
ofH
citrus waste, which was conducted through a
C
E
R experimental direct and indirect observation. It was
descriptive research
and
E
D
selected as raw material waste citrus peels like orange, pineapple, passion fruit
and lemon. The fermentation was conducted using the yeast Saccharomyces
cerevisiae for the two work samples with and without sulfuric acid. Then simple to
extract collected in both fermentations distillations were carried out to give a crude
yield of 10% bioethanol for the sample with sulfuric acid and 6% for the sample
without sulfuric acid. The net yield for both samples was 7.44% and 0.44%,
respectively. We conclude that the alcoholic fermentation of this waste because
bioethanol obtaining a high purity in both samples is feasible.
KEYWORDS: ethanol, alcoholic fermentation, citrus peel waste and yeast.
[email protected]
[email protected]
INTRODUCCION
El desarrollo de tecnologías para el tratamiento de materiales lignocelulósicos ha
tenido gran éxito desde el punto de vista económico al considerarse su utilizac ión
como substrato en procesos para la producción de etanol.
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
La disminución de las reservas mundiales de petróleo ha derivado en un constante
incremento en el precio de este combustible fósil y ha generado una creciente
O
H
C
E
motivado a que científicos
R de todo el mundo se den a la búsqueda de fuentes
E
D
alternas de energía renovables, entre las que destaca el uso de la biomasa
preocupación por la seguridad energética y el cambio climático mundial, lo que ha
agrícola para la producción de biocombustibles, entre los biocombustibles más
desarrollados se encuentran el bioetanol que se obtiene a partir de materias
primas ricas en carbohidratos.
En la actualidad se produce etanol comercialmente, por medio del tratamiento de
maíz y caña de azúcar, sin embargo su uso representa una competencia en el
consumo humano.
Los residuos cítricos podrían ser una alternativa para la producción de bioetanol
en Venezuela, debido a que los mismos se pueden conseguir fácilmente en
centros donde se trabajen con estos residuos y sean desechados, contribuyendo
con la recolección de basura y limpieza de nuestro país y no compiten con el
consumo humano, por esta razón el presente trabajo de investigación tiene como
finalidad determinar el rendimiento de bioetanol obtenido a partir de la
fermentación alcohólica de residuos cítricos, usando para ello la fermentación
como un mecanismo natural usado desde tiempos memoriales en la producción de
bebidas alcohólicas.
18
El presente trabajo de grado fue estructurado en 4 capítulos principales, de
acuerdo con la metodología empleada en un trabajo especial de grado.
En el capítulo I, se plantea el problema a resolver en esta investigación, para el
cual se describe su justificación e importancia dentro del ámbito científico, al igual
que los objetivos, la delimitación espacio-temporal y el alcance, los cuales
S
O
D
VA
permitirán el desarrollo del trabajo de investigación.
R
SE
E
R
S
Con respecto al capítulo II, los fundamentos teóricos y a los antecedentes de la
en
O investigaciones previas se explica
H
C
E de las materias primas como son la naranja,
detalladamente las características
R
E
D
investigación,
son
soportados
limón, parchita y piña, y las levaduras, así como los fenómenos físico-químicos
que afectan o hacen posible llevar a cabo el trabajo de investigación, como son la
fermentación y la operación de destilación entre otras.
En el capítulo III, se describe tanto la metodología usada en la investigación, como
el tipo de investigación, así como las técnicas de recolección de información y las
fases de la investigación donde se explican detalladamente cada uno de los pasos
que fueron ejecutados para resolver el problema planteado.
Los resultados obtenidos en la investigación, fueron plasmados en el capítulo IV,
donde se analizan con precisión y se comparan con resultados obtenidos tanto en
las investigaciones previas como en los fundamentos teóricos, esto con la finalidad
de dar explicación o justificación a cada uno de los valores obtenidos. Para
finalizar se exponen las conclusiones y recomendaciones referentes a los
resultados obtenidos en dicha investigación.
CAPITULO I
EL PROBLEMA
En este capítulo se tomaron en cuenta aspectos importantes como planteamiento
y justificación del problema a investigar el cual contiene un objetivo general que no
S
O
D
VA
permitió llegar a los objetivos específicos para poder llevar a cavo dicha
R
SE
E
R
S
investigación. También se plantea una delimitación temporal para saber el tiempo
aproximado de duración, científica indicándonos en que materias está basada la
O
H
C
E
ER
investigación y espacial la ubicación donde fue desarrollada.
D
1.1. Planteamiento del problema
La primera década del siglo XXl ha estado enmarcada fuertemente por los
desastres climáticos y por las numerosas crisis energéticas. La intensificación de
las catástrofes se atribuye principalmente al calentamiento global, el cual estaría
potenciado por la acumulación de gases invernadero (dióxido de carbono, metano,
oxido nitroso y compuestos alógenos) en la atmosfera y en donde la combustión
de los derivados del crudo contribuyen ampliamente. Siendo el petróleo la principal
fuente de energía a nivel industrial, la inestabilidad de su precio y el incremento de
los estudios en donde se afirma que su producción a nivel mundial llegará muy
pronto a su máxima cota, provocaran un real conflicto en los mercados
energéticos. De esta forma, preocupaciones medioambientales pasaran a ser
temas claves dentro de los aspectos económicos de cada nación.
En la actualidad una de las soluciones que se han planteado para disminuir el
impacto de estas inminentes realidades es la utilización de energías renovables
20
no convencionales (ERNC) y, en particular, de combustibles alternativos al
petróleo.
La generación de alternativas energéticas distintas a las ya convencionales
obtenidas principalmente de la explotación del petróleo, ha conllevado al uso de
materias primas naturales dando lugar a los llamados biocombustibles dentro de
los cuales destaca el bioetanol, el cual
S
O
D
VA
tiene las mismas características y
ER
S
E
R
desde biomasas azucaradas, amiláceas yS
celulósicas,
no pudiendo obtenerse del
O
H
petróleo.
C
E
DER
composición química que el etanol ya que se trata del mismo compuesto. La
diferencia radica en su proceso de producción. El bioetanol ha de ser obtenido
Todos los licores alcohólicos que proceden de la fermentación del azúcar de
alguna planta se pueden denominar como bioetanol. El estudio e incursión de pretratamientos viables tanto en proceso como económicamente para este tipo de
materias primas, y el uso de microorganismos, hongos y/o bacterias modificadas,
combinadas, etc. Para la potencializacion de estas en la fermentación de azucares
y posterior obtención de bioetanol el cual es un alcohol altamente conocido en la
industria de los alimentos, empleado en la producción de bebidas alcohólicas,
pudiendo utilizarse el mismo como biocombustible cuando su pureza cercana al
100% o también puede mezclarse con gasolina en cantidades variables para
reducir el consumo de los productos derivados del petróleo. Dos mezclas comunes
son E10 y E85, que contienen el etanol al 10% y 85%. El combustible resultante
de la mezcla de etanol y gasolina se conoce como gasohol o alconafta.
El bioetanol de segunda generación se puede obtener a partir de jarabes
glucosados producidos en la hidrólisis de residuos lignocelulósicos (biomasa
celulósica). Su principal fuente es a partir de las cáscaras de frutas que en su gran
mayoría son consideradas biomasas desvalorizadas. Residuos cítricos como la
21
naranja, parchita, limón y la piña, tienen gran influencia en el mercado, pero sus
cáscaras son desechadas, desaprovechando el valor que éstas tienen y además
que el uso de este subproducto agrícola. La alternativa de emplear residuos
lignocelulósicos permite la disminución de las emisiones de gases de invernadero.
En la producción de etanol, constituye hoy día una posibilidad altamente
prometedora por su amplia disponibilidad.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
bioetanol como combustible: Estados Unidos
(a
partir de maíz), Brasil y Colombia
S
O
H El bioetanol se puede producir a partir de
(ambos a partir de caña de
azúcar).
C
E
otros tipos de cultivos,
DERcomo remolacha, cebada, patatas, girasol, entre otros, e
Actualmente indiferentemente a otros países los de mayor producción y mejores
alternativas en desarrollo de programas significativos para la fabricación de
igualmente se puede obtener de la madera, pulpa de café etc. En el mundo se
producen millones de toneladas por año de residuos sólidos, los cuales generan
graves problemas, no sólo por el deterioro progresivo del medio ambiente, sino
también desde el punto de vista económico como recolección, transporte y
disposición final son cada vez mayores.
Por eso se ha considerado la propuesta de la determinación del rendimiento de
bioetanol obtenido a partir de la fermentación alcohólica de residuos cítricos, y de
esta manera proponer una nueva fuente de combustible alternativo, ecológico y
bajo costo.
1.2. Objetivos
Según la opinión de varios autores los objetivos son la meta que se pretende
alcanzar en el proyecto, indicando el propósito que se realizó en la investigación
22
planteada; el cual distingue diferentes clases de objetivos en función del alcance,
al precisar lo que se ha de estudiar en los objetivos generales y específicos.
1.2.1. Objetivo general
Determinar el rendimiento de bioetanol obtenido a partir de la fermentación
alcohólica de residuos cítricos.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
1.2.2. Objetivos específicos
S
O
D
VA
D
1. Caracterizar físico-químicamente el extracto de los residuos cítricos.
2. Realizar la fermentación alcohólica de los residuos cítricos.
3. Caracterizar físico- químicamente el licor.
4. Determinar el rendimiento bruto y neto del bioetanol.
1.3. Justificación
La producción de etanol ofrece diversas ventajas sobre los derivados del petróleo,
como son: menores precios de las importaciones, disminución en el costo del
combustible, apoyo a producciones agrícolas, mejoramiento de las situaciones
económicas y sociales en la zonas rurales, mayor seguridad energética y
reducción de la contaminación, puesto que se ha comprobado que en términos de
generación de gases invernaderos, el etanol reduce la producción de estos gases
de un 10 o 15% de los que se generan con la gasolina; y por último el uso de
etanol para ser mezclado con la gasolina no ha tenido ningún efecto negativo en
23
los motores de los automóviles, igualmente también ha tenido un gran beneficio en
varias industrias químicas del mundo bien sea en el área de alimentos para la
elaboración de bebidas alcohólicas u otros productos como el éter dietilic o y
acetato de etilo.
El hecho de poder obtener etanol por medio de la fermentación alcohólica de los
S
O
D
VA
residuos cítricos, puede llegar a causar un gran impacto positivo en la sociedad
ER
S
E
R
etanol se suele sintetizar mediante la hidratación
catalítica del etileno utilizando el
S
O
Htal manera la producción de etanol por medio
acido sulfúrico como catalizador.
De
C
E
R
de la fermentación
proporciona una alternativa energética eficientemente rápida,
DE
venezolana, con el aprovechamiento adecuado de los residuos como fuente
generadora y contribución para el desarrollo de dicho país. Para el uso industrial el
limpia y altamente aceptable pudiendo ser una opción para el reemplazo de los
combustibles fósiles, reduciendo los precios y contribuyendo a una porción al
problema energético global.
Si se genera una política extracta para concientizar a la sociedad en el reciclo y
separado de materia orgánica de la inorgánica, se podría mejorar la calidad de
vida de las personas y tomar residuos de frutas cítricas y desechos orgánicos
como materia prima para obtener el etanol o bioetanol, del cual podría generar
nuevas tecnologías limpias, las cuales alcanzarían impulsar el desarrollo del
pensamiento humano para extender la indagación de futuras fuentes para la
producción de energías.
1.4. Delimitación
Según la opinión de diferentes autores, delimitar una investigación significa,
especificar en términos concretos nuestras áreas de interés en la búsqueda,
24
establecer su alcance y decidir las fronteras de espacio, tiempo y circunstancias
que le impondremos a nuestro estudio.
1.4.1. Delimitación espacial
Este trabajo de grado se realizó en el Laboratorio Científico Técnico de
S
O
D
VA
Investigación de Siniestros; Bomberos Maracaibo, ubicado en la ciudad de
O
H
C
E
R
1.4.2. Delimitación E
D temporal
R
SE
E
R
S
Maracaibo, Edo. Zulia, República Bolivariana de Venezuela.
La investigación se realizó en un lapso de tiempo comprendido entre el mes de
enero hasta el mes de junio del año 2015.
1.4.3. Delimitación científica
Está enmarcada en la rama de la ingeniería química en el área de:

Biocombustibles

Tecnología de los alimentos

Físico Química

Química Analítica
CAPITULO II
MARCO TEORICO
En este capítulo se analizan y exponen teorías, investigaciones, leyes y
antecedentes consideradas válidas y confiables, en dónde se organiza y
S
O
D
VA
conceptualiza el estudio. Es importante acotar, que la fundamentación teórica,
R
SE
E
R
S
determina la perspectiva de análisis, la visión del problema que se asume en la
investigación y de igual manera muestra la voluntad del investigador, de analizar la
O
H
C
E
conceptos, categorías R
y el sistema preposicional, atendiendo a un determinado
E
D
paradigma teórico, estos deben estar relacionados con el tema de investigación y
realidad objeto de estudio de acuerdo a una explicación pautada por los
el problema.
2.1. Antecedentes de la investigación
En la revisión bibliográfica y documental realizada, se encontraron diversos
estudios que hacen referencia para la obtención de etanol a partir de fermentación
alcohólica, los cuales sirven de base para el estudio y solución de los objetivos de
la investigación. Entre estos estudios e investigaciones se encuentran:
Fernández y Gómez (2011). Determinación del grado de conversión global del
jugo de piña en etanol por medio de la fermentación alcohólica. Trabajo
especial de grado para optar al título de ingeniero químico. Universidad Rafael
Urdaneta. Maracaibo. Estado Zulia.
El presente estudio tuvo como propósito la determinación del grado de conversión
26
global del jugo de piña en etanol por medio de la fermentación alcohólica, el cual
se llevó a cabo a través de una investigación de tipo descriptiva- experimental. En
la caracterización físico química realizada al jugo de piña se estudio el pH,
utilizando un pH-metro; contenido de azucares totales por el método de Dubois;
azucares reductores utilizando el método DNS y ºBrix por medio de la utilización
de un refractómetro. Previo a la fermentación se realizó el contaje de células
usando la cámara de Neubauer. Por su parte, la fermentación alcohólica se llevó a
S
O
D
A plásticos
la producción de pan. Este proceso se realizó por triplicado enV
envases
R
E a una temperatura de
Slitros
de 20 litros cada uno, con un volumen de trabajo
de6
E
R
S
O
29ºC, para un crecimiento óptimo
de esta levadura. Luego de culminada la
H
C
E
R
fermentación, se realizó
E la caracterización físico química de la mezcla utilizando
D
Cromatografía de gases para posteriormente ser separada por medio de
cabo utilizando la levadura Saccharomyces Cerevisiae del género empleado para
destilación simple en un rota- vapor Buchí.
Este estudio suministró información necesaria para documentarnos sobre términos
y procedimiento a acatar con la finalidad de la obtención de bioetanol a partir de
materias primas renovables. Este trabajo de grado nos permitió conocer los
equipos como referencia para ser utilizados y proceso para la previa
determinación de los azucares, y la sugerencia del tipo de destilación a ser
utilizado al momento de la purificación para dar como resultado un etanol
deshidratado y de gran pureza.
Garzón y Hernández (2009). Estudio
comparativo para la producción de
etanol entre Saccharomyces cerevisiae silvestre, Saccharomyces cerevisiae
ATCC 9763 y Candidautilis ATCC 9950. Trabajo especial de grado para optar al
título de ingeniero industrial. Universidad tecnológica de Pereira. Cartagena,
Colombia.
27
El etanol es considerado un recurso energético sostenible, puesto que ofrece
diversas ventajas sobre los derivados del petróleo, como son; la disminución en la
producción de gases invernadero, disminución del costo del combustible, mayor
seguridad energética y apoyo a producciones agrícolas. Éste se obtiene a partir de
microorganismos, los cuales realizan la fermentación de azúcares que se
encuentran en productos vegetales, que pueden provenir de subproductos de
grandes procesos industriales, para la producción del azúcar como: la melaza, el
S
O
D
A en el
fermentados y obtener etanol, generan una oportunidad V
importante
R
SlosEcuales se encuentre un
desarrollo de nuevas formas de energía renovable
y en
E
R
S
O
desarrollo sostenible con el medio
ambiente. El presente trabajo tuvo como
H
C
E
R
objetivo comparar E
la producción de etanol entre Saccharomyces cerevisiae
D
silvestre, Saccharomyces cerevisiae ATCC 9763 y Candidautilis ATCC 9950,
jugo de caña entre otros, emplear éstos subproductos, como sustratos para ser
adicional a esto se evaluó la cepa Saccharomyces cerevisiae ATCC 9080. Se
realizaron ensayos a diferentes concentraciones de melaza (180, 200 y 250 g/L)
con Saccharomyces cerevisiae silvestre, con el fin de establecer la concentración
de melaza que produjera el mejor porcentaje de alcohol; encontrando lo con la
concentración de 250 g/L. Evaluando a esta concentración las otras levaduras; el
consumo de azúcares reductores se determino por el método Dubois, para realizar
el seguimiento de los mismos.
Este estudio permitió la buena elección del tipo de levadura a utilizar para
facilitarnos la producción de un buen rendimiento de etanol. Saccharomyces
cerevisiae es una levadura que sigue un metabolismo de fermentación alcohólica
que permite la producción a gran escala de bioetanol a partir de biomasa. Éste
supone una alternativa competitiva y más limpia al uso de combustibles fósiles
como el petróleo.
28
López, García, Feria, Zamudio y Pérez (2010). Biorrefinería de materiales
lignocelulósicos. Eucalyptus globulus. Departamento de Ingeniería Química.
Facultad de Ciencias Experimentales de la Universidad de Huelva., Avda. 3 de
Marzo s/n 21071. Huelva. Boletín del CIDEU 8-9: 75-82 ISSN 1885-5237
[email protected]
S
O
D
VA
La selección de esta revista proporcionó la idea de la reutilización de los residuos
ER
S
E
R
hecho de que no se pone en riesgo la seguridad
alimentaria de la población, ya
S
O
H de alimentos. Su utilización permite la
que no se compite con la
producción
C
E
ER producidos como subproducto, residuo o desecho,
disposición de los
Dmateriales
como materia prima desvalorizada (desechos sólidos municipales, residuos
agropecuarios, etc.), una potencial fuente renovable que tiene como ventaja el
contribuyendo con el medio ambiente y generando productos que permiten
mantener el balance de carbono y de gases que pueden comprometer el clima en
el planeta.
Ante un panorama mundial acuciante en cuanto a escasez de materias primas,
energía y fenómenos relacionados con la no biosostenibilidad, efecto invernadero
y problemas sociológicos relacionados con el mundo agrario, forestal y rural, la
biomasa lignocelulósica, y en particular la de elevada capacidad de producción, se
revela como una fuente de materias primas ubicua y sostenible, cada vez más
necesaria. Las tres fracciones química principal, constituyente del material
lignocelulósico: celulosa, hemicelulosa y lignina, son en teoría, susceptibles de
separación en lo que llamamos un esquema de fraccionamiento integral o
Biorrefinería. Estos constituyentes por si solos o sus derivados permiten obtener
productos de mayor valor añadido y en multitud de campos con un esquema
similar al de la refinería del petróleo. De la celulosa pueden derivar polímeros
celulósicos, como los que utilizamos diariamente con el uso del papel, y de otro
tipo. Además es susceptible de hidrolizarse hasta sus monómeros constituyentes
29
para obtener medios fermentables para producción de etanol, biocarburante para
transporte. De las hemicelulosas y sus azúcares monoméricos derivados
(pentosas) pueden también derivarse medios fermentables, pero en este caso y
dada la mayor variedad de monómeros y oligómeros constituyentes, las
posibilidades de obtención de diversos productos químicos se amplían en un
amplio espectro. Pueden obtenerse productos para cosmética, farmacia,
productos para alimentación animal y humana (principalmente relacionados con
S
O
D
Afuránicas) de
acético, el furfural y productos poliméricos de síntesis (resinas
V
R
SE en contraste con los
interesantes propiedades dado su carácter biodegradable
E
R
S
O
plásticos derivados del petróleo. De
la
fracción polifenólica o lignina, existe el uso
H
C
E
R
tradicional como combustible
E que se aplica en el sector de la pasta celulósica, el
D
papel y que supone una valorización energética de la fracción residual. Sin
alimentos dietéticos y funcionales), algunos tan conocidos como el xilitol, el ácido
embargo, cobran cada vez más auge las posibilidades de uso en el sector de
materiales (tableros), derivados de esteroles con aplicaciones en farmacia o
alimentación funcional, antioxidantes, materiales poliméricos y aditivos de betunes
y asfaltos.
2.2. Bases teóricas
Según Arias (2006), las bases teóricas implican un desarrollo amplio de los
conceptos y proporciones que conforman el punto de vista o enfoque adoptado
para sustentar o explicar el problema planteado.
2.2.1. Etanol
El compuesto químico conocido como alcohol etílico, es un alcohol que se
presenta en condiciones normales de presión y temperatura como un líquido
30
incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78,4 °C. Mezclable con agua
en cualquier proporción; a la concentración de 95 % en peso se forma una mezcla
azeotrópica. Su fórmula química es CH3-CH 2-OH (C2H 6O), principal producto de
las bebidas alcohólicas como el vino (alrededor de un 13 %), la cerveza (5 %), los
licores (hasta un 50 %) o los aguardientes (hasta un 70 %).
S
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VA
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R
Figura 2.1. Estructura molecular
del
etanol. (Glyn, 1974).
S
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H
C
E
DER
El etanol resulta de la fermentación de azúcar o del almidón degradado a azucares
de cadenas cortas, extraídos ambos de la biomasa, también puede producirse a
partir de la celulosa contenida principalmente en los desechos agrícolas, urbanos
o forestales.
El etanol (Alcohol Etílico) puede producirse de dos formas. La mayor parte de la
producción mundial se obtiene del procesamiento de materia de origen renovable
(caña de azúcar y /o derivados como melaza; sorgo dulce; sorgo rojo; remolacha;
etc.); en particular, ciertas plantas con azúcares. El etanol así producido se conoce
como bioetanol. Por otra parte, también puede obtenerse etanol mediante la
modificación química del etileno, por hidratación. (Cadena agroindustrial, 2004).
El etanol es un combustible que puede producirse a partir de un gran número de
plantas, con una variación, según el producto agrícola, del rendimiento entre el
combustible consumido y el generado en dicho proceso. El bioetanol tiene las
mismas características y composición química que el etanol ya que se trata del
mismo compuesto. La diferencia radica en su proceso de producción. El bioetanol
ha de ser obtenido desde biomasa, no pudiendo obtenerse del petróleo. Todos los
31
licores alcohólicos que proceden de la fermentación del azúcar de alguna planta
se pueden denominar como bioetanol. (Briceño y Calero, 2004).
Debido al aumento de las medidas tomadas para controlar las emisiones totales
de gases con efecto invernadero, la utilización de este alcohol como combustible
para el trasporte por carretera está creciendo muy rápido. Un análisis del ciclo de
S
O
D
VA
vida completo de este producto como combustible muestra como las emisiones
R
generadas en el proceso de producción del combustible y las de operación son
SE
E
R
S
compensadas por las fijadas en el cultivo durante su crecimiento.
O
H
C
E
ER
D
Los principales usos del etanol son los siguientes:
 Bebidas Alcohólicas
 Solvente químico e industrial.
 Industrias cosméticas y afines
 Intermediario para la producción de etileno, acetaldehído, ácido acético,
ésteres etílicos, entre otros.
 En farmacias, hospitales y clínicas como agente desinfectante.
 Aditivo en combustible de motores de combustión interna.
 Como combustible puro en motores.
2.2.1.1. Etanol como combustible (Alcohol carburante)
El Etanol Carburante es un alcohol libre de agua, conocido también como alcohol
anhidro; con el fin de lograr la combinación con las gasolinas, este cuenta con un
alto octanaje y se produce por la fermentación de azúcares. Es reconocido en la
actualidad como un biocombustible de alta calidad que puede ser usado en
32
mezclas con gasolina ó sólo. El auge a escala mundial del etanol como
biocombustible se fundamenta en dos grandes realidades: por un lado, cada vez la
más complicada localización y obtención de petróleo y los altos costos de sus
derivados y, por otro, los altos niveles de contaminación ambiental que éstos
producen (Briceño y Calero, 2004).
2.2.1.2. El etanol como combustible limpio
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R moleculares con enlaces sencillos carbón-carbón, en
sustancia de bajos E
pesos
D
comparación con la gasolina y el diesel, los cuales son mezclas complejas de
El etanol es un biocombustible de fuente renovable, reduce considerablemente las
emisiones de dióxido de carbono (CO 2); esto debido a que el etanol es una
hidrocarburos con altos pesos moleculares y fuertes enlaces carbón-carbón. Las
emisiones de monóxido de carbono son menores en el caso del etanol, ya que
este producto es reducido por mezclas aire-combustible, con un contenido bajo de
este último y exceso de aire.
La combustión de etanol genera menor cantidad de óxidos de nitrógeno (NO) que
la gasolina y el diesel, debido a que su elevado calor latente de vaporización
proporciona un mayor enfriamiento del motor y una temperatura de flama más
baja; teniendo en cuenta el riesgo inminente que implica el calentamiento, el gran
desafío de conservación del medio ambiente, es reducir las emisiones de gases
con efecto invernadero, principalmente el CO2 que no sólo a diferencia de otros
componentes de gases de escape tóxicos, este no puede ser reducido por efecto
catalítico; las únicas alternativas para reducir las emisiones de este gas, son el
uso de combustibles más limpio y la mejora de la eficiencia de los vehículos
introduciendo tecnologías de punta y reduciendo así el consumo de combustible
(Briceño y Calero, 2004).
33
2.2.1.3. Etanol y el medio ambiente
El uso del etanol carburante reduce las emisiones del dióxido de carbono emitido
por la flota vehicular. Con esto, se espera un impacto positivo sobre el
medioambiente, y en consecuencia en la salud de las personas que habitan las
ciudades. Los efectos positivos sobre el medio ambiente se debe a que el etanol
carburante (Cadena agroindustrial, 2004):
S
O
D
VA
R

Es un compuesto biodegradable.

Su combustión produce un efecto oxigenante.

Reduce la emisión de gases tóxicos de los vehículos tradicionales.

Reduce el efecto invernadero.
O
H
C
E
ER
D
SE
E
R
S
2.2.2. Biocombustible
Engloba a todos aquellos combustibles sólidos, líquidos o gaseosos derivados de
material biológico muerto recientemente. Se distinguen de
los combustibles
fósiles en que éstos provienen de material biológico muerto que se ha acumulado
desde hace millones de años. Los biocombustibles pueden ser producidos
teóricamente de cualquier fuente de carbono, aunque los sustratos más
ampliamente utilizados son las plantas fotosintéticas.
Las dos estrategias más comunes para la producción de biocombustibles son: (1)
cultivar plantas que posean un alto contenido de azúcar (caña de azúcar,
remolacha, el sorgo dulce) o almidón (maíz), que son sometidos a un proceso
fermentativo para la producción de alcohol etílico, bioetanol; y (2) cultivar plantas
que contengan gran cantidad de aceites vegetales, tales como el aceite de palma
34
o soya, pulpas que pueden ser utilizados directamente o pueden ser procesados
químicamente.
Los biocombustibles ofrecen la posibilidad de producir energía sin que ocurra un
incremento neto de carbono en la atmósfera porque las plantas utilizadas para la
producción del combustible pueden remover el CO 2 mediante la fotosíntesis, cosa
S
O
D
VA
que no ocurre con los combustibles fósiles los cuales retornan al aire el carbono
R
que ha sido almacenado debajo de la superficie de la tierra por millones de años.
SE
E
R
S
(Garzón y Hernández, 2009). Los biocombustibles se utilizan principalmente en el
HO
C
E
Biodiesel: Intentando
DERreemplazar total o parcialmente al diesel utilizado en los
sector transporte como:

motores diesel.

Bioetanol: Intentando reemplazar completamente o parcialmente a la gasolina
de 95 octanos. Las combinaciones de bioetanol con gasolinas se identifican
con la letra “E”, seguida del número que indica el porcentaje del producto
contenido por volumen en la mezcla del biocombustible. En el mercado s e
comercializa bajo diferentes mezclas:
 E10: 10% etanol; 90% gasolina de 95 octanos
 E-85: 85% etanol; 15% gasolina de 95 octanos
 E100: etanol 100%
Las mezclas hasta E15 pueden emplearse sin realizar cambios en el motor.
2.2.3. Bioetanol
El Bioetanol es un combustible líquido renovable amigable con el ambiente que
puede producirse a partir de gran variedad de materias primas, tales como: (1)
35
azúcar (de la caña de azúcar, remolacha) o almidón (maíz y trigo) y (2) biomasa
lignocelulósica. Dependiendo de la materia prima utilizada los biocombustibles
pueden clasificarse en: Combustibles de Primera Generación, basados en la
utilización de azúcar y almidón de los cultivos a través de tecnologías de
producción tradicional; y de Combustibles de Segunda Generación, que
contemplan el uso de material lignocelulósico.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
como fuente renovable de biomasa. Se utilizan
las microalgas principalmente para
S
O
H no existe ningún proceso industrializado
la producción de biodiesel E
y actualmente
C
R a partir de esta biomasa. (Garzón y Hernández, 2009).
para la obtención
DdeEetanol
Recientemente, se ha adicionado un nuevo grupo de biocombustibles llamados
Combustibles de Tercera Generación, para cuya producción se utilizan las algas
Según (Garzón y Hernández, 2009) las desventajas del uso de etanol como
combustible se tienen:

Las emisiones de acetaldehído son más altas que las producidas por la
gasolina. Sin embargo, la emisión de acetaldehído causa menos efectos
adversos a la salud en comparación al formaldehido emitido en los motores de
gasolina.

Al contener 66% de la energía de similar volumen de gasolina, requiere que el
tanque se llene más frecuentemente. Esta situación es compensada por el
ahorro que le significa al conductor el menor precio de este biocombustible.

Para utilizar el bioetanol al 100% (E100) resulta necesario efectuar algunas
modificaciones en el motor del vehículo que utilizará el biocombustible, a fin de
alcanzar el mejor nivel de desempeño posible. Entre estas modificaciones
podemos citar que se deben cambiar las bujías y algunas mangueras, alterar
la relación de consumo biocombustible/aire, y aumentar la compresión del
motor.
36

Su elevado nivel de disolución en agua, así como su característica disolvente
genera algunos inconvenientes en su almacenamiento y transporte.
País
Brasil
Estados Unidos
China
Típico uso
Materia Prima
E26
Caña de azúcar
E10-E85
Maíz, sorgo
E10
Maíz, mandioca, caña de azúcar,
E5
R
Caña de
Eazúcar
S
E
S R Caña de azúcar
S
O
D
VA
boniato, arroz
India
HO
C
E10
E
ER
Colombia
E10
D
Tailandia
Caña de azúcar, tapioca,
mandioca
Perú
E7.8
Caña de azúcar
Suiza
E5-E85
Forestal, trigo
E5
Caña de azúcar, sorgo dulce
Uruguay
Figura 2.2 Tipo de producción global de bioetanol.
2.2.3.1. Producción de bioetanol
La producción de bioetanol se realiza en bases comerciales y por dos vías
tecnológicas, utilizando materias primas dulces, directamente fermentables, como
la caña de azúcar y la remolacha azucarera, o materias primas amiláceas, como el
maíz y el trigo, cuyo almidón debe ser convertido en azúcares (sacarificado) antes
de la fermentación, como se esquematiza en la Figura 2.3.
Una tercera vía, utilizando la biomasa disponible en materiales como el bagazo y
la paja, hidroliza las cadenas celulósicas y produce una solución fermentable de
azúcares, presentando gran interés gracias al bajo costo de la materia prima. Con
37
todo, esta vía de valorización energética de la biomasa aún no está disponible en
escalas comerciales, aunque haya expectativas de que en los próximos años
pueda alcanzar viabilidad económica.
Biomasa azucarada
(caña y remolacha)
Biomasa amilácea
(Maíz, trigo, mandioca)
Biomasa celulósica
(en desarrollo)
S
O
D
VA
R
DER
SE
TrituraciónRE
S
O
H
EC
Extracción por
presión o difusión
Hidrólisis enzimática
Trituración
Hidrólisis acida o
enzimática
SOLUCIÓN AZUCARADA FERMENTABLE
Fermentación
Destilación
ETANOL
Figura 2.3. Vías para la producción de bioetanol. (Horta, 2008).
38
2.2.4. Biomasa lignocelulósica
Contienen generalmente un 25-60% de celulosa, 1-40% de hemicelulosa y 1-25%
de lignea. (Jiménez y Hidrobo, 2008).
2.2.4.1. Biomasa
S
O
D
Arenovable que
Según (Ecologiahoy, 2011) se refiere a una sustancia orgánica
V
R
SEy es usada como fuente
tiene su origen en los animales o bien en los R
vegetales;
E
S
O
energética. Se consideran tres tipos;
(1) Biomasa natural: la que se produce de
H
C
E
R
forma natural sin la E
intervención del hombre. (2) Biomasa residual: residuos de la
D
agricultura, industria forestal, madera, entre otros, y (3) Cultivo energético: su
función es transformar biomasa en combustible
2.2.4.1.1. Fuentes de biomasa
El bioetanol se produce a partir de materiales con biomasa celulósica, abarcando
este término toda la materia orgánica de origen vegetal, incluyendo también los
materiales procedentes de su transformación natural o artificial. La biomasa puede
provenir de varios tipos de cultivos como residuos forestales, cultivos y residuos
agrícolas, cultivos energéticos, otras fuentes de biomasa (Fernández et al., 1995).
2.2.4.1.2. Características de la biomasa
Los procesos de transformación de la biomasa en energía siguen diferentes vías,
según (Jarabo F. et al., 1999) las disponibles se clasifican en:
39

Procesos físicos-químicos: se utilizan para extraer directamente el combustible
de las plantas que los contienen (procesos físicos) o para transformar la
composición de ciertos aceites vegetales, haciéndolos utilizables como
combustible, en el denominado bio-diesel (procesos químicos).

Proceso termoquímico: consisten en la descomposición térmica a elevadas
S
O
D
A
V
gaseosos) o ausencia de oxigeno (pirolisis: combustiblesR
diversos).
SE
E
R
Sde microorganismos para transformar
O
H
Procesos bioquímicos: hacen
uso
C
E
R
E (fermentación alcohólica) o biomasa de alto contenido en
azucares enD
etanol
temperaturas de la biomasa de bajo contenido en humedad con exceso de
oxigeno (combustión: calor), defecto de oxigeno (gasificación: combustibles

humedad en biogás (digestión anaerobia).
2.2.4.2. Lignocelulósica
(Fernández, 1995), se refiere que el conjunto lignocelulósico está compuesto
principalmente de una matriz de celulosa y lignina entrelazada por cadenas de
hemicelulosa. El pre-tratamiento tiene como objetivo desintegrar esta matriz de tal
manera que la celulosa reduzca su grado de cristalinidad y aumente la celulosa
amorfa, que es la más adecuada para el posterior ataque enzimático.
Adicionalmente la mayor parte de la hemicelulosa se hidroliza durante el pretratamiento y la lignina se libera o incluso se puede descomponer.
En una etapa posterior, la celulosa liberada es sometida hidrólisis enzimática con
celulosas exógenas, lo cual hace que se obtenga una solución de azucares
fermentables que contiene principalmente glucosa, así como pentosas resultante
de la hidrólisis inicial de la hemicelulosa. Estos azucares son posteriormente
40
convertidos en etanol mediante microorganismos que pueden utilizar uno a varios
azucares presentes en el material lignocelulósico pre-tratado e hidrolizado.
(Fernández, 1995): Este complejo proceso puede ser representado por las
reacciones:
pretratamiento
Hemicelulosa
S
O
D
VA
C5H10O5+C6H 12O6 + Otros Azucares
Xilosa
Glucosa
ER
S
E
nC H O R
 2nC H O
S
O
CH
Endoglucan asas. y.
celobiohidralasas
(C6H12O 6)2n
D
ERE
12
22
11
Celobiosa
6
12
6
Glucosa
C6H12O6 + S. cerevisiae 2C2H5OH  2CO2
Etanol
3C5H10O5 + Pochia.Stipitis 5C2H5OH  5CO2
Etanol
Según estudios de los autores (Cuervo, Folch y Quirozes, 2011) define la
lignocelulosa como el principal componente de la pared celular de las plantas, esta
biomasa producida por la fotosíntesis es la fuente de carbono renovable más
prometedora para solucionar los problemas actuales de energía. El principal
impedimento tecnológico para la utilización de la biomasa vegetal es, en general,
la ausencia de una tecnología de bajo costo dirigida a la recalcitrancia de la
lignocelulosa. Se han desarrollado diversos métodos que mejoran la hidrólisis de
la lignocelulosa, como los pre-tratamientos fisicoquímicos y biológicos. La finalidad
del pre-tratamiento es remover la lignina, hidrolizar la hemicelulosa a azúcares
fermentables, y reducir la cristalinidad de la celulosa para liberar la glucosa.
41
2.2.4.2.1. Composición y estructura
La lignocelulosa (celulosa, hemicelulosa y lignina) es el principal y más abundante
componente de la biomasa producida por la fotosíntesis, anualmente se forman
200,000 millones de toneladas en el mundo (Ragauskas et al., 2006). La pared
celular de las plantas está formada por lignocelulosa, la composición y porcentajes
de los polímeros varían entre las especies de plantas, incluso entre la edad y la
etapa de crecimiento (Jeffries, 1994). (Figura.2.4).
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Figura 2.4. Estructura de la lignocelulosa. La celulosa, la hemicelulosa y la lignina
forman estructuras llamadas microfibrillas, organizadas en macrofibras que
regulan la estabilidad de la pared celular de las plantas (Rubín, 2008).
42
2.2.4.2.2. Celulosa
La celulosa es un polímero de D-glucosa unida por enlaces glucosídicos β-1,4 que
se estructuran en largas cadenas lineales (microfibrillas) unidas por puentes de
hidrógeno y fuerzas de Van der Waals intramoleculares, formando una estructura
cristalina resistente a la hidrólisis y regiones amorfas susceptibles a la
degradación enzimática (Ovando y Waliszewski, 2005; Béguin y Aubert, 1994).
S
O
D
VA
ER
S
E
R
Acetobacter y los tunicados (Czaja et al., 2007;
Sasakura et al., 2005).
S
O
H
C
E
DER
La celulosa es sintetizada, en menores proporciones, por bacterias del género
2.2.4.2.3. Hemicelulosa
La hemicelulosa es un polímero complejo de heteropolisacáridos formado por
pentosas (D-xilosa y L-arabinosa) y hexosas (D-glucosa, D-manosa y D-galactosa)
que forman cadenas
ramificadas
y los
ácidos
4-O-metilglucurónico, D-
galacturónico y D- glucurónico, los azúcares están unidos por enlaces β-1,4 y
ocasionalmente por enlaces β-1,3 (Pérez, et al., 2002).
Según (Pandey, 2000), la hemicelulosa está constituida por polímeros de unidades
de anhidro azúcares unidas por enlaces glucosídicos, formadas por más de un tipo
de azúcar (hexosas o pentosas), y además presentan ramificaciones y
sustituciones. Su papel es suministrar la unión entre la lignina y la celulosa.
2.2.4.2.4. Lignina
La lignina es un heteropolímero amorfo, tridimensional y ramificado formado por
43
alcoholes aromáticos que da soporte estructural, rigidez, impermeabilidad y
protección a los polisacáridos estructurales (celulosa y hemicelulosa) y es
altamente resistente a la degradación química y biológica (Aro et al., 2005).
Existen dos tipos de sistemas enzimáticos extracelulares: los que producen
hidrolasas que degradan la celulosa (celulasas) y la hemicelulosa (hemicelulasas)
S
O
D
VA
y los que despolimerizan la lignina por reacciones de oxidación (peroxidasas y
lacasas) (Pérez et al., 2002).
O
H
C
E
ER
D
R
SE
E
R
S
2.2.4.3. Bioetanol a partir de biomasa lignocelulósica
Las materias primas compuestas de biomasa lignocelulósica son las más
abundantes en el mundo, por lo que representan la fuente de azúcares con mayor
potencial para la producción de bioetanol de segunda generación. La alternativa
de emplear residuos lignocelulósicos en la producción de etanol, constituye hoy
día una posibilidad altamente prometedora por su amplia disponibilidad en el
mundo. La existencia en los diversos países iberoamericanos de abundantes
recursos lignocelulósicos, justifica la dedicación por estas naciones de un esfuerzo
importante al desarrollo y adaptación de tecnologías tendientes a la utilización
integral y racional de los mismos, su producción se ha llevado a escala comercial
en algunos países, principalmente del mundo desarrollado. (Jarabo F. et al.,
1999).
2.2.4.3.1. Pre-tratamiento del material lignocelulósico
Con el pre-tratamiento se busca remover la lignina y la hemicelulosa, reducir la
cristalinidad de la celulosa, aumentar la porosidad y área de contacto de los
44
materiales para facilitar la hidrólisis. Durante el pre-tratamiento de material
lignocelulósico una fracción de hemicelulosa es hidrolizada (Sun y Cheng, 2002).
La etapa del pre-tratamiento presenta el mayor desafío técnico, puesto que en
esta etapa se producen los inhibidores para la fermentación. Sin embargo a través
de un control adecuado de la temperatura y el pH la formación de productos
S
O
D
VA
inhibidores puede ser minimizada (Weil et al., 2002). Por tanto esta etapa puede
ER
S
E
R
tratamiento pueden ser clasificadas en diferentes
categorías. Estas se resumen en
S
O
H
la Figura 2.5.
C
E
DER
ser la más costosa en la conversión de biomasa a etanol y es la que está sujeta a
una mayor investigación y desarrollo (Mosier et al., 2005). Las técnicas de pre-
Físicos
Químicos
Molienda
Tamizado
Alcalino
Ácido
Agentes oxidantes
Solventes orgánicos
Pre-tratamientos
Fisicoquímicos
Biológico
s
Pre-tratamiento con vapor
Hidrotermolisis
Oxidación húmeda
Hongos
Bacterias
Eléctricos
Figura 2.5. Técnicas de pre-tratamiento (Weil et al., 2002), (Mosier et al., 2005).
45
2.2.4.3.1.1. Hidrólisis
Según varios autores como (Morgeot et al., 2009), (Hamelinck et al., 2005),
aclaran que el objetivo de la hidrólisis es romper el polímero de los polisacáridos,
presentes en la fracción de sólidos insolubles en agua, que se producen en el pretratamiento. Este sólido está constituido principalmente por celulosa. En la
hidrólisis, la celulosa es transformada en glucosa. Esta reacción es catalizada por
S
O
D
Apre-tratado, el
rendimiento es menor al 20%, mientras que si el material esta
V
R
SEser ácida o enzimática.
rendimiento puede ser superior al 90%. La hidrólisis
puede
E
R
S
O
H
C
E
R
DE
un ácido o enzimas. Si se emplea la hidrólisis sin pre-tratar el material, el
2.2.4.3.2.1. Hidrólisis ácida
Los ácidos como el H2SO4 y HCl concentrados son poderosos agentes que
hidrolizan la celulosa, pero son tóxicos, corrosivos y peligrosos por lo que
requieren reactores que resistan su corrosión. Se emplean altas temperaturas y
ácidos diluidos que hidrolizan la hemicelulosa en azúcares solubles en agua, en
los residuos queda la celulosa y la lignina, esta última se extrae con solventes
orgánicos. El pre-tratamiento con ácidos mejora la hidrólisis de la celulosa, pero su
costo es alto en comparación con otros pre-tratamientos y requiere una
neutralización del pH para evitar la inhibición de la fermentación (Eggeman y
Elander, 2005).
Para diversos autores como (Brethaven y Wyman, 2010), (Girio et al., 2010)
confirman que los procesos de hidrólisis los rendimientos del azúcar pueden ser
de 70% e incluso mayores al 90% de acuerdo a las condiciones y el material. La
hemicelulosa es generalmente más susceptible a la hidrólisis ácida que la
celulosa, se pueden obtener rendimientos de más del 85% con solo una pequeña
conversión de celulosa a glucosa.
46
2.2.4.3.2.2. Hidrólisis enzimática
(Prasad y Joshi, 2007), (Sukumaran et al., 2010) afirman que los tres tipos de
enzimas actúan sinérgicamente para hidrolizar la celulosa: endo-β-1,4- glucanasa
esta enzima ataca la parte endógena de los canales de celulosa, celobiohidrolasas
las cuales atacan el final del polímero, la celobiosa es hidrolizada hasta glucosa
por las β-glucosidasas. También se pueden adicionar otras enzimas como
S
O
D
Adel material
como los hongos pueden producir celulasas para la hidrólisis
V
R
SEaerobios o anaerobios,
lignoicelulósico. Estos microorganismos pueden
ser
E
R
S
O
mesófilos o termófilos.
H
C
E
R
DE
hemicelulasas y lignasas que faciliten el acceso a la celulosa. Tanto las bacterias
2.2.5. Fermentación
La fermentación es un término general, que indica la degradación aeróbica o
anaeróbica de un substrato orgánico a diversos productos, por la acción de
levaduras y algunas bacterias que producen enzimas para realizar dicha función y
obtener energía en forma de ATP. Se distinguen por lo tanto dos fases: La fase
anaeróbica es quizá la más antigua, puesto que los organismos vivos aparecieron
en una tierra primitiva, la cual era carente de oxígeno y la fase aerobia es una
fase de crecimiento en la cual la glucosa pasa a dióxido de carbono. (Lehninger,
1987).
Incluso en la fase anaerobia será necesaria una cierta presencia de oxígeno, ya
que las levaduras lo necesitan para producir sus esteroles y sus ácidos grasos
insaturados
de
membrana.
Existen
muchas
clases
de
fermentaciones,
dependiendo de: el tipo de organismo que las produce, del substrato, o incluso de
las condiciones impuestas, tales como pH o el abastecimiento de oxígeno.
47
2.2.5.1. Tipos de fermentación
Nelson y Cox (2005) acotan que se debe distinguir entre los tipos de fermentación:
Acética, alcohólica, butírica, de la glicerina, láctica.
2.2.5.1.1. Fermentación alcohólica
S
O
D
A(oxigeno-O ),
Es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia deV
aire
R
E procesan los hidratos
Sque
originado por la actividad de algunos microorganismos
E
R
Sfinales: un alcohol en forma de etanol
O
de carbono para obtener como productos
H
C
E
R
(cuya fórmula química
Ees: CH - CH -OH), dióxido de carbono CO en forma de gas
D
y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su
2
3
2
2
metabolismo celular energético anaeróbico. El etanol resultante se emplea en la
elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la
sidra, el cava, entre otros. Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar
también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser
empleado como biocombustibles
La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía
anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de
oxigeno para ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía
necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO 2 como desechos
consecuencia de la fermentación. Las levaduras y bacterias causantes de este
fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y
contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados.
Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en
ambientes completamente carentes de oxigeno (O 2), máxime durante la reacción
48
química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso
anaeróbico.
(Vázquez y Dacosta, 2007) confirma que la fermentación más importante y mejor
conocida es la fermentación alcohólica, la cual es una biorreacción que permite
degradar azúcares en alcohol y dióxido de carbono mediante la siguiente reacción
química:
C6H12O6 2C2H 5OH + 2CO 2
S
O
D
VA
ER
S
E
R
Las principales responsables de esta
degradación son las levaduras.
S
O
Saccharomyces cerevisiae,
es H
la especie de levadura usada con mayor
C
E
R
E diversos estudios que comprueban la producción de
frecuencia, peroD
existen
alcohol por otros tipos de levaduras y algunas bacterias como Zymomonamobilis,
pero su explotación a nivel industrial es mínima.
A nivel estequiométrico, esta reacción parece ser sencilla, pero la secuencia de
transformaciones para degradar la glucosa hasta dos moléculas de alcohol y dos
de dióxido de carbono es un proceso muy complejo, puesto que al mismo tiempo
la levadura debe utilizar la glucosa y otros nutrientes adicionales para poder
reproducirse (Vázquez y Dacosta, 2007).
El rendimiento estequiométrico teórico para la transformación de glucosa en etanol
es de 0.511 g de etanol y 0.489 g de dióxido de carbono por 1 gramo de glucosa.
En realidad es difícil obtener este rendimiento por que como se menciono
anteriormente la levadura utiliza glucosa para la producción de otros metabolitos
indispensables para su crecimiento y desarrollo. El rendimiento experimental varía
entre el 90 y el 95 % del teórico, y en la industria varia del 87 al 93 % del teórico
(Vázquez y Dacosta, 2007).
49
La fermentación alcohólica industrial típica es esencialmente un proceso que se
produce en un biorreactor, mediante el cual determinados substratos son
transformadas mediante la reacción microbiana en etanol, dióxido de carbono y
biomasa. Estos contenedores son herméticos y permiten retirar mediante
canalizaciones apropiadas el dióxido de carbono resultante. El éxito de una buena
fermentación depende de la eficacia del tratamiento preliminar: concentración del
azúcar, pH y temperatura óptimos; la adición de sustancias nutritivas al mosto,
S
O
D
A
altas concentraciones de alcohol, mantenimiento de condiciones
anaerobias
y la
V
R
E
Sy Cecil, 1992).
inmediata destilación del producto fermentado R
(Prescott
E
S
O
H
C
E
R
E
D
2.2.5.1.2. Fermentación acética
contaminación por otros microorganismos, empleo de un organismo resistente a
Es la fermentación bacteriana por acetobacter, un genero de bacterias aeróbicas,
que transforma el alcohol en acido acético. La fermentación acética del vino
proporciona el vinagre debido a un exceso de oxigeno y es considerado uno de los
fallos del vino. La fermentación acética es un área de estudio dentro de la
cimología. Nelson y Cox (2005)
2.2.5.1.3. Fermentación glicerina
El propanotriol (glicerina) es uno de los principales productos de la degradación
digestiva de los lípidos, paso previo para el ciclo de krebs. Se produce también
como un producto intermedio de la fermentación alcohólica. El propanotriol, junto
con los ácidos grasos, es uno de los componentes de los lípidos simples, como los
triglicéridos y fosfolípidos. Un triglicérido está formado por una molécula de
propanotriol al que se unen por enlaces éster tres moléculas de ácidos grasos.
50
Los ácidos grasos pueden estar saturados de átomos de hidrogeno, de modo que
todos los enlaces entre carbonos son simples. Normalmente se asocia un ácido
graso saturado con enfermedades circulatorias y con un origen animal. Los ácidos
grasos que contienen menos hidrógenos se llaman ácidos grasos insaturados y se
caracterizan por presentar en su estructura uno o más dobles enlaces; son de
origen vegetal. Nelson y Cox (2005)
2.2.5.1.4. Fermentación butírica
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
por acción de bacterias
ERde la especie clostridium butyricum en ausencia de
D
oxigeno. Se produce a partir de la lactosa con formación de acido butírico y gas.
Descubierta por Louis Pasteur es la conversión de los glúcidos en acido butírico
Es característica de las bacterias del género clostridium y se caracteriza por la
aparición de olores pútridos y desagradables.
Se puede producir durante el proceso de ensilado si la cantidad de azúcares en el
pasto no es lo suficientemente grande como para producir una cantidad de acido
láctico que garantice un pH inferior a 5. Nelson y Cox (2005).
2.2.5.1.5. Fermentación láctica
Es un proceso celular anaeróbico donde se utiliza glucosa para obtener energía y
donde el producto de desecho es el acido láctico. Este proceso lo realizan muchas
bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoos y en los tejidos
animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido
muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una
aportación adecuada de oxigeno que permita el desarrollo de la respiración
aeróbica. Nelson y Cox (2005).
51
Tipo de
fermentación
Alcohólica
Productos
Etanol + CO2
Organismos
Levadura
(Saccharomyces)
Acido láctico
Acido láctico
Bacterias del ácido láctico
(Streptococcus,
lactobacillus, etc)
Acido mixto
Acido láctico, ácido
Bacterias
ER entéricas
S
E
S R (Aerobacter, Serratia)
acético, etanol, CO2, H 2
Butanediol
Butanediol, ácido láctico,
O
H
C
E
ER
ácido acético,
Acido burítico
D
Acetona – butanol
S
O
D
VA
Bacterias entéricas
(Escherichia, Salmonella)
etanol, CO 2, H 2
Acido burítico, ácido
Algunos clostridios
acético, CO2, H2
(Clostridium butyricum)
Acetona, butanol, etanol.
Algunos clostridios
(Clostridium
acetobutylicum)
Acido propiónico
Acido propiónico
Propionibacterium
Figura 2.6. Tipos de fermentaciones de varios microorganismos. Nelson y Cox
(2005)
2.2.5.2. Fases de una fermentación

Fase lag: Fase de inactividad de duración variable ya que depende del número
de células así como de las características metabólicas de las mismas.
Grandes fases lag indican la presencia de sustancias tóxicas, muerte de
células o inactividad de éstas.

Fase temporal de aceleración: No ha sido definida matemáticamente pero en
ellas las proporciones de las células hijas tienden a alcanzar el 50% de
52
población total.

Fase
de
crecimiento
exponencial:
Allí
crecen
los
microorganismos
rápidamente y el crecimiento de la población depende del sustrato inicialmente
colocado (melaza).

Fase estacionaria: Aquí ya se ha alcanzado el máximo valor de producción, en
S
O
D
VA
esta fase algunas células se dividen y otras mueren donde las células vivas
R
utilizan los compuestos provenientes de las muertas como nutriente,
SE
E
R
S
manteniendo la población constante durante la fase.

HO
C
E
misma comienza
DEaRmorir. Tiene un comportamiento exponencial. Muchos
Fase de muerte: Dado que la población celular presente no se mantiene por sí
procesos en cochada se terminan antes de que inicie esta fase.
2.2.5.3. Condiciones a medir y controlar en el proceso de fermentación
Según los autores (Basso et al., 2008) las condiciones a medir y controlarse llevan
a cabo por:
1. Temperatura: afecta de manera notable en el crecimiento microbiano, debido a
que los microorganismos tienen un rango restringido de temperatura para su
crecimiento.
2. pH: tiene una gran influencia en los productos finales del metabolismo
anaerobio, por lo tanto es importante tener un control sobre esta variable
durante el desarrollo del proceso de fermentación puesto que los
microorganismos poseen un pH óptimo en el cual tienen mayor velocidad de
crecimiento y rendimiento.
53
3. Nutrientes: medio de cultivo debe de tener todos los elementos necesarios
para el crecimiento microbiano, para esto se debe tener en cuenta los
requerimientos nutricionales del microorganismo con el cual se va a trabajar.
4. Aireación: ausencia o presencia de oxigeno permite una selección tanto del
microorganismo como de los productos del mismo. Cuando el cultivo se
realiza en presencia de oxigeno la fermentación se denomina aeróbica y
cuando este carece de oxigeno se denomina anaeróbica.
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R que posee alta actividad metabólica, por lo que en
cerevisiae es una
Elevadura
D
un proceso fermentativo en fase aerobia se caracteriza por la producción de
Si la fermentación es anaeróbica, la mayor parte del carbono se emplea como
energía y solo el 2 % se asimila como material celular. Saccharomyces
biomasa y en fase anaeróbica generalmente por la producción de etanol.
5. Productividad: se define como la producción de biomasa por unidad de
volumen, por unidad de tiempo de cultivo, dado en concentración de biomasa
(g/L) en función de tiempo (h).
2.2.5.4. Limitantes de la fermentación
1. Concentración de alcohol: Las levaduras, presentan cierta resistencia a las
concentraciones de alcohol que se producen durante la fermentación, debido a
que el etanol, inhibe el transporte de D-xilosa, amonio, glicina y algunos amino
ácidos, así como afecta la función y estabilidad de algunas enzimas
citoplasmáticas como la hexoquinasa, debido a que a concentraciones críticas
de etanol, se presenta la formación de un complejo hexoquinasa-etanol el cual
puede detener la reacción glucosa glucosa-6 fosfato.
54
En conclusión la tolerancia al alcohol depende de la habilidad de la célula para
exportar el etanol del interior al medio externo, un proceso que depende de la
composición de la membrana y de la fluidez de la misma. La célula modifica la
composición en ácidos grasos de la membrana para minimizar los efectos de
la fluidez que produce el etanol, de la misma manera la adaptación de las
levaduras al etanol también obedece a una modificación de la composición
lipídica de las membranas debido básicamente a un enriquecimiento de las
S
O
D
A
levaduras poder adaptarse a altas concentraciones de alcohol
debe existir un
V
R
E
S con respecto a los
aumento del contenido de ácidos grasos
insaturados
E
R
S de las cadenas carbonadas de los
O
saturados y un aumento en H
la longitud
C
E
R
ácidos grasos (Tomasso,
DE 2004).
mismas en esteroles y acido grasos de cadena larga, de esta manera para las
2. Acidez del sustrato: El pH es un factor limitante en el proceso de la
fermentación debido a que las levaduras se ven afectadas por el ambiente en
el cual se desarrollan es decir alcalino o acido. Las levaduras tienen rango
óptimo de pH que va desde 3.5 hasta 5.5. En el proceso de fermentación, el
pH tiende a disminuir debido a la producción de ácidos, formados al tomar los
nitrógenos de los aminoácidos perdiendo su carácter anfótero. En los
procesos industriales, se hace uso de soluciones tampón para mantener
niveles óptimos de acidez (Ríos, 2005).
3. Concentración de Azúcares: Las concentraciones altas de azúcares afectan
los procesos de osmosis dentro de la membrana celular, el rango óptimo de
concentración de azúcar es de 10 a 18%, puesto que a concentraciones de
22% las levaduras empiezan a tener problemas en su proceso de respiración
celular (Ríos, 2005).
4. Temperatura: Las levaduras son microorganismo mesófilos, por lo tanto su
temperatura no puede sobrepasar lo 50ºC, puesto que a esta temperatura o
temperaturas superiores se produce su muerte. Por lo tanto debido a que la
55
fermentación es un proceso exotérmico, se debe mantener en el mismo un
control de temperatura para mantener la temperatura en su valor optimo que
es de 30 ºC. (Ríos, 2005).
5.
Ritmo de crecimiento de las cepas: Durante la fermentación las cepas crecen
en número debido a las condiciones favorables que se presentan en el medio,
esto hace que se incremente la concentración de levaduras. (Ríos, 2005)
S
O
D
VA
R
6. Materias primas: El etanol puede obtenerse a partir de cualquier azúcar ó
SE
E
R
S
polisacáridos. En general la materia prima puede clasificarse en tres grupos
HO
C
E
Fuentes con alto
contenido de azúcares: Como lo son azúcar de caña,
DER
(Biocombustibles, 2007):

remolacha, melazas y jugos de fruta. Son materias primas que poseen un alto
contenido de azúcares simples y fermentables, como la glucosa, la fructosa, la
galactosa y la sacarosa, entre otros.
La ventaja de utilizar este tipo de fuentes consiste en que no es necesario
realizar tratamientos previos para obtener los azúcares fermentables, puesto
que estos ya se encuentran presentes.

Fuentes con alto contenido de almidón: Como por ejemplo el maíz, malta,
cebada, avena trigo, arroz, sorgo y otros. Estas fuentes deben ser tratadas
previamente para obtener los azúcares fermentables. En el caso de los
cereales, estos deben someterse previamente a un proceso de hidrólisis del
almidón, con el fin de romper este biopolímero en azúcares fermentables que
estén disponibles para los microorganismos encargados de la fermentación
alcohólica.

Fuentes ricas en celulosa: Como la madera, residuos de pasta, residuos de
frutas, bagazo de caña de azúcar y el papel. Las materias primas con alto
contenido de celulosa son las fuentes más abundantes de biomasa a nivel
56
global, y su uso ha tenido un creciente interés global; sin embargo, la compleja
composición química de estas fuentes ha planteado retos tecnológicos que
aún no han podido ser satisfactoriamente superados.
2.2.5.5 .Bioquímica de la fermentación alcohólica
S
O
D
A conjunto de
través de las cuales algunos microorganismos, por medio de
un
V
R
SE
enzimas producidas por ellos (o añadidas
artificialmente),
realizan una
E
R
S
O en etanol, dióxido de carbono y
transformación de azúcares par H
a convertirlos
C
E
energía (Biocombustibles,
DER2007).
La fermentación alcohólica comprende toda una serie de reacciones bioquímicas a
2.2.5.6. Microorganismos
Levaduras. Las levaduras pueden ser definidas como hongos unicelulares que se
reproducen por gemación o fisión. Las levaduras están implicadas en fenómenos
de competición por nutrientes, de antagonismo o de simbiosis en los suelos, las
aguas, los animales y los vegetales. Su presencia depende en primer lugar de la
disponibilidad de carbono orgánico, temperatura, pH y de la presencia de agua
(Leveau y Bouix, 2000).
El hábitat de las levaduras, puede ser en las capas superiores del suelo, ó en
materias orgánicas sobre todo de origen vegetal que sean ricas en carbohidratos;
estas pueden aislarse especialmente del suelo de los viñedos y huertos, de las
superficies de uvas, manzanas y de la mayoría de los frutos dulces. Son
arrastradas por el aire, junto con el polvo (Prescott y Cecil, 1992).
57
2.2.5.7. Microorganismos utilizados en la fermentación alcohólica
Tradicionalmente, los microorganismos más empleados en la obtención de etanol
son las levaduras, aunque existen varios tipos de bacterias y hongos que también
son capaces de sintetizarlo en cantidades considerables. La fermentación
alcohólica se realiza en ausencia de oxígeno, excepto durante el tiempo de
inoculación, durante el cual se insufla una pequeña cantidad para permitir un
S
O
D
A
latencia y entren en la fermentación ya en la fase exponencialV
(Biocombustibles,
R
SE
2007).
E
R
S
O
H
C
E
R
DE
crecimiento limitado de los microorganismos para que estos superen su fase de
2.2.5.8. Fisiología del crecimiento
Las necesidades nutricionales de las levaduras, buscan medios de cultivo que
aporten los elementos necesarios para la síntesis de los tejidos celulares y para
cubrir las necesidades energéticas de las levaduras (Leveau y Bouix, 2000):
1. Nitrógeno: es cuantitativamente el segundo constituyente aportado por el
medio de cultivo. Es utilizado por las células en los aminoácidos, los
nucleótidos y algunas vitaminas. Todas las levaduras, asimilan el nitrógeno en
forma de ion amonio, los cuales pueden ser aportados en el medio por el
cloruro amónico, nitrato amónico, fosfato amónico, y sobre todo el sulfato
amónico
siendo este el mejor, y al mismo tiempo aportando el azufre
necesario para la síntesis de ciertos aminoácidos.
2. Azufre: el 60% del azufre está incorporado en las proteínas. El 5% en forma
de sulfato inorgánico libre. El resto está en forma de enlaces disulfuro y en
aminoácidos sulfurados libres, así como también está presente en algunas
58
vitaminas. La fuente de azufre más utilizada en los medios de cultivo es el
sulfato amónico.
3. Carbono: es el compuesto mayoritario de la célula de la levadura, alrededor
del 50% en peso seco. Los compuestos carbonados son utilizados por las
levaduras a la vez como fuente de energía y como fuente de carbono. Entre
las fuentes de carbono, los glúcidos son los más frecuentemente utilizados
como hexosas, disacáridos, trisacáridos.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
metabolismo, así mismo está implicado
en
las estructuras de los ribosomas,
S
O
H
de las membranas nucleares
y ácidos nucleicos. Una carencia de magnesio
C
E
R
en la fermentación
DE alcohólica conlleva a la producción de acido acético. El
4. Magnesio: es necesario para el buen funcionamiento de muchas enzimas del
magnesio en los medios de cultivo se encuentra como cloruro o sulfato de
magnesio.
5. Potasio: es elemento mineral cualitativamente más importante en las
levaduras, ya que a pH ácido el potasio estimula la fermentación y la
respiración, además actúa como efector de numerosas enzimas entre otros.
Las fuentes de potasio en los medios de cultivo son el cloruro potásico y los
fosfatos mono y dipotasico.
6. Fósforo: se halla incluido en los ácidos nucleícos y los nucleosidos di y trifosfato. El fosforo es asimilado por la célula en forma de iones orto fosfato
(H2PO4-). Las fuentes de fósforo en el medio de cultivo deben estar
constituidas por el dihidrogeno fosfato de potasio (KH 2PO4) o por el hidrogeno
fosfato disodico (Na2H2PO4).
7. Otros Iones: juegan papel importante son: calcio, manganeso, zinc, hierro,
bario, cloruro, sodio.
59
2.2.5.9. Influencia del entorno
1. Temperatura: en las levaduras, oscila entre 25 y 30°C que permite un efectivo
crecimiento. La temperatura de crecimiento influye en la composición en
ácidos grasos de las membranas plasmáticas.
2. Oxigeno: en las levaduras son capaces de desarrollarse en presencia de
S
O
D
VA
oxigeno, no hay levaduras anaeróbicas estrictas. El oxigeno interviene en la
R
SE
E
R
S
síntesis de esteroles y del acido nicotínico.
O
H
C
E
2.2.5.10. Saccharomyces
DER cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae es la especie de levaduras utilizada por excelencia
para la obtención de etanol a nivel industrial puesto que es un microorganismo de
fácil manipulación y recuperación, no es exigente en cuanto a su cultivo, no
presenta alto costo, tolera altas concentraciones de etanol , en la fermentación
produce bajos niveles de subproductos, es osmotolerante, capaz de utilizar altas
concentraciones de azúcares, presenta alta viabilidad celular para el reciclado y
características de floculación y sedimentación para el procesamiento posterior
(Fajardo y Sarmiento, 2007).
Saccharomyces cerevisiae es una levadura cuya colonia es color crema o blanco,
apariencia húmeda y brillante de bordes irregulares La temperatura óptima de
crecimiento es de 25 a 30 °C. Puede producir ascosporas cuando hay
requerimientos nutricionales adecuados Sus dimensiones son: 2.5-10 micras de
ancho y 4.5-21 micras de largo. Microscópicamente se observan redondas y
ovoides, elipsoides a veces cilíndricas y filamentosas. Fermenta glucosa,
galactosa, sacarosa y maltosa y no fermenta la lactosa. Asimila galactosa,
60
sacarosa, maltosa y rafinosa. La aireación óptima es de 0.6-0.9vvm (Fajardo y
Sarmiento, 2007).
El nombre de Saccharomyces cerevisiae significa azúcar de hongos. Producen
una fermentación vigorosa y es conocida como la levadura de la cerveza, sirve
como fuente de enzimas como extracto de levadura para sustituir los sabores
S
O
D
VA
naturales del extracto de carne, hace fermentar masa de pan, interviene en la
R
fabricación del vino y como fuente de proteína, vacunas, ácidos grasos y aceites.
(Figura 2.7), (Ramírez y Rosas 2015).
H
C
E
ER
O
D
SE
E
R
S
Figura 2.7. Levadura Saccharomyces cerevisiae (Ramírez y Rosas 2015)
La levadura Saccharomyces cerevisiae permite una conversión aproximada del
85% al cabo de 32 horas y del 90% al cabo de 75 horas en la producción de
etanol. Este microorganismo tiene un porcentaje en peso de carbono del 45%, de
oxígeno del 30.6%, de hidrógeno del 6.8%, y de nitrógeno del 9%.
61
2.2.5.11. Principales productos de la fermentación alcohólica

Alcoholes: etanol, metanol, alcoholes alifáticos con más de 2 átomos de C, y
alcoholes superiores (isobutanol, alcohol isoamílico amílico, llamados
genéricamente aceite de fusel).

Aldehídos: primordialmente acetaldehído, Ésteres: acetato de isobutilo y
acetato de isoamilo.


S
O
D
VA
ER
S
E
R
láctico y trazas de otros ácidos grasos.
ácidos
tartárico y málico
S
O
H
C
E
Dióxido de Carbono
DER
Ácidos orgánicos: Ácidos volátiles: fórmico, acético, propiónico, butírico y
2.2.6. Acido sulfúrico
Es un compuesto químico extremadamente corrosivo cuya fórmula es H2SO4. Es
el compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se utiliza como
uno de los tantos medidores de la capacidad industrial de los países. Una gran
parte se emplea en la obtención de fertilizantes.
También se usa para la síntesis de otros ácidos y sulfatos, y en la industria
petroquímica. Generalmente se obtiene a partir de dióxido de azufre, por oxidación
con óxidos de nitrógeno en disolución acuosa. Normalmente después se llevan a
cabo procesos para conseguir una mayor concentración del ácido. Antiguamente
se lo denominaba aceite o espíritu de vitriolo, porque se producía a partir de este
mineral. (Wikipedia, 2015).
62
La molécula presenta una estructura piramidal, con el átomo de azufre en el centro
y los cuatro átomos de oxígeno en los vértices. Los dos átomos de hidrógeno
están unidos a los átomos de oxígeno no unidos por enlace doble al azufre.
Dependiendo de la disolución, estos hidrógenos se pueden disociar. En agua se
comporta como un ácido fuerte en su primera disociación, dando el anión
hidrogeno sulfato, y como un ácido débil en la segunda, dando el anión sulfato.
Además reacciona violentamente con agua y compuestos orgánicos con
S
O
D
VA
desprendimiento de calor. (Wikipedia, 2015).
ER
S
E
R
Tabla 2.1. Características del Acido
Sulfúrico.
(Sandoval, 1999)
S
O
Hde Hidrógeno - Aceite de Vitriolo - Espíritu
Sinónimos
Sulfato
C
E
ER de Azufre - Licor de Azufre –Sulfuric Acid (inglés)
D
Formula Química
H SO
2
Concentración
Peso Molecular
Grupo Químico
Numero Cas
Numero NU:
4
98.0 %
98.08
Ácido Inorgánico.
7664-93-9
1830
Tabla 2.2. Propiedades físicas y química del Acido Sulfúrico. (Sandoval, 1999)
Estado Físico
Apariencia
Olor
Ph
Temp. de Ebullición
Temp. de Fusión
Temp. de Descomposición
Densidad (Agua =1)
Presión de Vapor
Densidad de Vapor (Aire = 1)
Solubilidad
Estado Líquido.
Incoloro a amarillento/pardo oscuro, denso
y oleoso.
Picante y penetrante.
<1
327 °C (solución al 98%).
-2 °C (solución al 98%).
340 °C.
1.84 G./ML a 20 °C.
Menor que 0.3 mm. Hg a 25 °C.
3.4
Completamente soluble en Agua. y Alcohol
Etílico.
63
2.2.6.1. Usos
La industria que más utiliza el ácido sulfúrico es la de los fertilizantes. El nitro
sulfato amónico es un abono nitrogenado simple obtenido químicamente de la
reacción del ácido nítrico y sulfúrico con amoniaco. Otras aplicaciones importantes
se encuentran en la refinación del petróleo, producción de pigmentos, tratamiento
del acero, extracción de metales no ferrosos, manufactura de explosivos,
detergentes, plásticos y fibras.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
En muchos casos el ácido sulfúrico funge
como
una materia prima indirecta y
S
O
H final. En el caso de la industria de los
pocas veces aparece en E
el C
producto
R del ácido sulfúrico se utiliza en la producción del ácido
fertilizantes, la mayor
DEparte
fosfórico, que a su vez se utiliza para fabricar materiales fertilizantes como el
superfosfato triple y los fosfatos de mono y diamonio. Cantidades más pequeñas
se utilizan para producir superfosfatos y sulfato de amonio.
Alrededor del 60% de la producción total de ácido sulfúrico se utiliza en la
manufactura de fertilizantes. Cantidades substanciales de ácido sulfúrico también
se utilizan como medio de reacción en procesos químicos orgánicos y
petroquímicos involucrando reacciones como nitraciones, condensaciones y
deshidrataciones. En la industria petroquímica se utiliza para la refinación,
alquilación y purificación de destilados de crudo. En la industria química
inorgánica, el ácido sulfúrico se utiliza en la producción de pigmentos de óxido de
titanio (IV),ácido clorhídrico y ácido fluorhídrico.
En el procesado de metales el ácido sulfúrico se utiliza para el tratamiento del
acero, cobre, uranio y vanadio y en la preparación de baños electrolíticos para la
purificación y plateado de metales no ferrosos. Algunos procesos en la industria de
la Madera y el papel requieren ácido sulfúrico, así como algunos procesos textiles,
64
fibras químicas y tratamiento de pieles y cuero. En cuanto a los usos directos,
probablemente el uso más importante es el sulfuro que se incorpora a través de la
sulfonación orgánica, particularmente en la producción de detergentes. Un
producto común que contiene ácido sulfúrico son las baterías, aunque la cantidad
que contienen es muy pequeña.
2.2.6.2. Identificación de riesgos
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
O
El acido sulfúrico no es inflamable, ni combustible, pero diluido y al contrario de los
H
C
E
ER
metales produce hidrogeno el cual es altamente inflamable y explosivo.
D
·Riesgo Principal: Corrosivo
·Riesgos Secundarios: Tóxico y Reactivo
· Señalización de Instalaciones: ·Rotulación de Transporte:
Nch 1411/IV Of78
Código NFPA
0 = Ninguno
1 = Ligero
2 = Moderado
3 = Severo
4 = Extremo
Decreto N° 298
Nch 2190.Of93
Nch 2136.Of89
RIESGO PRINCIPAL
Clase 8
· Señalización Estanque Transporte:
Nch 2136.Of89
Color Anaranjado
RIESGO SECUNDARIO
Clase 6 1 – División 6.2
·Número de Naciones Unidas:
1830
2.2.6.3. Precauciones
La preparación de una disolución de ácido puede resultar peligrosa por el calor
generado en el proceso. Es vital que el ácido concentrado sea añadido al agua (y
65
no al revés) para aprovechar la alta capacidad calorífica del agua y la mayor
temperatura de ebullición del ácido. El ácido se puede calentar a más de 100 ºC lo
cual provocaría la rápida ebullición de la gota. En caso de añadir agua al ácido
concentrado, pueden producirse salpicaduras de ácido.
2.2.7. Destilación
S
O
D
Acomponentes
La destilación es un proceso que consiste en separar los diferentes
V
R
E
S
líquidos de una mezcla producidos en sus diferentes
puntos de ebullición. Esta se
E
R
Sdel calentamiento de la mezcla la cual
O
lleva a cabo una separación porH
medio
C
E
R
permite formar vapores
E que son previamente condensados como liquido destilado
D
recolectado
2.2.7.1. Tipos de destilación
Existen diferentes tipos de destilación, el uso de cada uno de ellos dependerá de
las características y propiedades de la mezcla que se desee separar.
2.2.7.1.1. Destilación Simple
Lamarque (2008), explica que esta destilación, el vapor que se retira del seno del
líquido, pasa inmediatamente al seno del refrigerante donde condensa y luego se
recolecta el líquido destilado. Mediante este procedimiento pueden separarse
mezclas de dos componentes que tengan una diferencia de puntos de ebullición
de, al menos, °60-°80. Mezclas de sustancias cuyos puntos de ebullición difieran
en 30-60 ºC se pueden separar por destilaciones sencillas repetidas, recogiendo
66
las fracciones enriquecidas en uno de los componentes, las cuales se vuelven a
destilar.
2.2.7.1.2. Destilación fraccionada
La destilación fraccionada es una combinación de muchas destilaciones simples
S
O
D
Aplato poroso,
vertical rellena con un material inerte (perlas de vidrio, trozosV
de
R
E
etc.), en la cual ocurren sucesivas evaporaciones
yS
condensaciones hasta que
E
R
S de la columna y condensa en el
O
finalmente el vapor alcanza el H
extremo
C
E
R
refrigerante. Este tipo
DE de destilación equivale a varios cientos de destilaciones
en una sola operación, para lo cual se utiliza una columna de fraccionamiento
simples y es muy eficaz incluso en la separación de líquidos con puntos de
ebullición muy cercanos, por ejemplo una fracción de grado. Lamarque (2008).
2.2.7.1.3. Destilación azeotrópica
Según Perry (2001), es un método que provoca o explota la formación o
comportamiento del azeotrópo, para alterar las características de ebullición y
separabilidad de la muestra.
2.2.8. Grado Brix
Los ºBrix (ºBrix ) miden el cociente total de sacarosa disuelta en un liquido; una
solución de 25 °Brix tiene 25g de sacarosa y 75g de agua en los 100g de solución.
Se miden con un sacarímetro, que mide la gravedad específica de un líquido o
más fácilmente, con un refractómetro. La escala ºBrix es un refinamiento de las
tablas de la escala Balling, desarrollada por un químico alemán, Karl Balling; la
67
escala Plato, que mide los grados Plato, también parte de la escala Balling, se
utilizan las tres, a menudo alternativamente; y sus diferencias son de importancia
menor.
La escala ºBrix se utiliza, sobre todo, en la fabricación del zumo y del vino de fruta
y del azúcar a base de caña, la escala Plato se utiliza en la elaboración de
S
O
D
VA
cerveza, la escala Balling es obsoleta pero todavía aparece en los sacarímetros
más viejos. Sansen y Vargas (2009).
2.2.8.1. Usos
O
D
H
C
E
ER
R
SE
E
R
S
La escala Brix se utiliza en el sector de alimentos, para medir la cantidad
aproximada de azucares en zumos de fruta, vino o bebidas suaves y en la
industria del azúcar; varios países utilizan las tres escalas en diversas industrias.
En el Reino Unido la elaboración de la cerveza se mide con la gravedad específica
X 1000 grados europeos, de la escala Plato el uso de los breweres, y la industria
de los EE.UU. utilizan una mezcla de la gravedad específica de los ºBrix, los
grados Baumé y los grados de la escala Plato.
Para los zumos de fruta, un ºBrix indica cerca de 1-2% de azúcar por peso; ya que
los ºBrix se relacionan con la concentración de los sólidos disueltos (sobre todo la
sacarosa) en un líquido, tiene que ver con la gravedad específica del líquido. La
gravedad específica de las soluciones de la sacarosa también puede medirse con
un refractómetro. Por su facilidad de empleo, los refractómetros se prefieren sobre
los aerómetros marcados para la escala Brix. Los refractómetros de temperatura
compensada evitan la dependencia de la temperatura de las medidas de la
gravedad específica y requieren solamente una gota o dos de la muestra para
tomar una lectura. Sansen y Vargas (2009).
68
2.2.9. Cromatografía de gases
(Skoog et al., 2001), difunden que la cromatografía de gases (GC) es una técnica
ampliamente utilizada para separar compuestos tanto orgánicos e inorgánicos
técnicamente estables y volátiles. En este tipo de cromatografía la muestra se
inyecta y se volatiliza antes de ingresar en la cabeza de la columna en la cual se
lleva a cabo la separación la cual se presenta por medio del reparto entre los
S
O
D
A campos
liquida estacionaria sujeta a un soporte sólido. Esta tiene dos importantes
V
R
E mezclas orgánicas
Sseparar
de aplicación. Por una parte su capacidadR
para
E
Sy sistemas bioquímicos, por otra; su
O
complejas, compuestos organometálicos
H
C
E
R
aplicación como método
DE para determinar cuantitativa y cualitativamente los
componentes de una mezcla química entre la fase gaseosa que fluye y una fase
componentes de la muestra.
Para el análisis cualitativo se suele emplear el tiempo de retención, que es único
para cada compuesto dadas las determinadas condiciones (mismo gas portador,
rampa de temperatura y flujo). En aplicaciones cuantitativas, integrando las áreas
de cada compuesto o midiendo su altura, con los calibrados adecuados, se
obtiene la concentración o cantidad presente de cada analito Esta técnica es
aplicada en las industrias y se enfoca principalmente a evaluar la pureza de los
reactivos y productos de una reacción química, así como es utilizada en el análisis
de contaminantes de aguas, pesticidas y en el estudio del petróleo se pueden
analizar los constituyentes de la gasolina, mezclas de refinería etc.(Skoog, et al.
2001).
2.2.9.1. Principios de la técnica
En cromatografía de gases la muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de
una columna cromatografía. La elución se produce por el flujo de una fase móvil
69
que es un gas inerte, y a diferencia de la mayoría de los tipos de cromatografía, la
fase móvil no interacciona con las moléculas del analito; su única función es la de
transportar el analito a través de la columna.
Respecto a la cromatografía líquida, la cromatografía de gases tiene la ventaja de
disponer de detectores mucho más universales (por ejemplo, el de ionización de
S
O
D
VA
llama). Además, para numerosas aplicaciones, los métodos son más simples, más
ER
S
E
R
también es mucho más sencilla y económica
que la empleada en HPLC. Sin
S
O
H la influencia de la temperatura sobre la
embargo, en cromatografía
de
gases,
C
E
distribución del equilibrio
DERes considerable, a diferencia de la cromatografía líquida.
rápidos y más sensibles que los correspondientes a la cromatografía líquida de
alta resolución. La instrumentación requerida para cromatografía de gases
(Skoog, et al.2001).
Por ello, la cromatografía de gases presenta limitaciones en tres casos

Compuestos poco volátiles, generalmente los de peso molecular superior a
300 u.m.a.

Compuestos sensibles a una elevación de la temperatura incluso moderada
(determinados compuestos de interés biológico).

Compuestos que se encuentran en forma iónica (puesto que son en general
poco volátiles)
Por esta razón, la cromatografía de gases se emplea cuando los componentes de
la mezcla problema son volátiles o semivolátiles y térmicamente estables a
temperaturas de hasta 350-400ºC. En cambio, cuando los compuestos a analizar
son poco volátiles y/o termolábiles, la técnica separativa adecuada suele ser la
70
cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).A menudo la cromatografía de
gases se emplea para confirmar de la presencia o ausencia de un compuesto en
una muestra determinada. (Skoog, et al.2001).
2.2.9.2. Aplicaciones

Medioambientales:
Análisis
de
pesticidas
y

análisis
de
R
E
S
E
Alimentos y aromas: fragancias y aromas,
aceites, bebidas, ácidos
R
S
O metílicos, triglicéridos, alcoholes.
orgánicos, azúcares, FAMES,
ésteres
H
C
E
ER
D
Química Industrial: alcoholes, ácidos orgánicos, aminas, aldehídos y
hidrocarburos, semivolátiles y volátiles, análisis del aire.

S
O
D
VA
herbicidas,
cetonas, ésteres y glicoles, hidrocarburos, disolventes, anilinas, gases
inorgánicos.

Biociencia: drogas, fármacos, alcoholes y contaminantes en sangre,
disolventes residuales.

Derivadas del petróleo: gas natural, gases permanentes, gas de refinería,
gasolinas, gasóleos, parafinas .
2.2.9.3. Cromatografía de gases (FID)
El detector de ionización de llama, es un detector muy sensible y lineal en un
amplio rango dinámico. Normalmente se utiliza para el análisis de materiales
orgánicos. La respuesta es alta para los hidrocarburos alifáticos y algo más baja
para compuestos oxigenados de igual número de carbonos, nitrogenados y
orgánico clorados compuestos El FID no tiene o tiene muy baja respuesta para el
71
aire, el agua, gases paramentes, óxidos nitrogenados, amoniaco, dióxido de
carbono y monóxido de carbono entre otros. (Konik Instruments, 1992).
Este detector trabaja bien por encima de los 100°C de esta manera evita la
condensación de agua, además debe trabajar por encima de la temperatura de
columna para prevenir la condensación del efluente de la misma. Estas son
S
O
D
VA
idóneas también para la separación de alcoholes.
Fase
Aplicación
Composición
Agilent
DBWAX
Disolventes,
glicoles,
alcoholes
D
Polar
R
SE
E
R
S
CHO
ERE
Polietilenglicol
Polaridad
Rango de temperatura Fases similares
aproximada (°C)
De 20 a 250/260
HP-20M,
SUPELCOWAX
10,
CP-WAX
52
CB,
SUPEROX II, CB-WAX,
Stabilwax, BP-20, 007-CW,
Carbowax,
HP-INNOWax,
Rtx-WAX, ZB-WAX.
Figura 2.8. Aplicación de las fases estacionaria de la columna utilizada. (Agilent
technologies, 2007).
Según (Abello Lindae, 2001). El detector de ionización de llama (FID) es el
detector más extensamente utilizado, y por lo general, uno de los más aplicables
en cromatografía de gases. En un quemador el efluente de la columna se mezcla
con H2 y aire para luego encenderse eléctricamente. La mayoría de los
compuestos orgánicos, cuando se pirolizan a la temperatura de una llama de
H2/aire, producen iones y electrones que pueden conducir la electricidad a través
de la llama. Cuando se aplica una diferencia de potencial de unos pocos cientos
de voltios entre el extremo del quemador y un electrodo colector situado por
encima de la llama, la corriente que resulta (~10 -2 A) se dirige para su medida
hacia un amplificador operacional de alta impedancia. La ionización de la llama de
compuestos que contienen carbono no es un proceso bien establecido, aunque se
observa que el número de iones que se producen es relativamente proporcional al
número de átomos de carbono reducidos en la llama.
72
Según (Abello Lindae, 2001). El detector de ionización de llama responde al
número de átomos de carbono que entra en el detector por unidad de tiempo, por
ello, es más un detector sensible a la masa, que un sistema sensible a la
concentración. Grupos funcionales, tales como carbonilo, alcohol, halógeno y
amina, originan en la llama pocos los gases no combustibles como H 2O, CO2, SO 2
y NO x. Estas propiedades hacen iones o prácticamente ninguno. La insensibilidad
del detector de ionización de llama para con el agua le hace particularmente útil en
la detección de contaminantes en muestras naturales de agua.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
Las aplicaciones de este detector son diversas
y generalmente de control rutinario.
S
O
H de kerosinas como factor de conversión
Un ejemplo de ello es la determinación
C
E
ER de residuos de hidrocarburos en poliestirenos
energético, o laD
determinación
destinados a envasados alimentarios. De igual modo es utilizado en la
determinación de hidrocarburos como metano, etano y acetileno así como en la
identificación de compuestos que los contengan, incluso de compuestos orgánicos
volátiles (Abello Lindae, 2001).
Figura 2.9. Esquema general del detector FID. (Abello Lindae, 2001).
73
Consiste en una llama de hidrogeno-aire y una placa colectora. El efluente de la
columna pasa a través de la llama, que ioniza las moléculas orgánicas. Los iones
se recogen en un electrodo de polarización negativa y producen una señal
eléctrica. El FID es extremadamente sensible y es el detector más ampliamente
utilizado, su desventaja es que destruye la muestra.
2.2.10. Materia prima
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
sometiéndola luegoE
aR
un proceso de transformación que desembocara en la
D
elaboración de consumos. (Definición abc, 2015).
Es cada una de las materias que empleara la industria para la conservación de
productos elaborados, que por lo general son extraídas de la misma naturaleza
Los residuos cítricos como materia prima generados en la actividad de producción,
transformación y consumo no han alcanzado ningún valor económico, estos
productos orgánicos que constituyen la principal fuente de biomasas han de ser
aprovechados y reutilizado con fines de producción de productos energéticos útil.
2.2.10.1. Naranja
La naranja es el fruto del naranjo dulce, árbol que pertenece al género Citrus de la
familia de las Rutáceas. Esta familia comprende más de 1.600 especies. El género
botánico Citrus es el más importante de la familia, y consta de unas 20 especies
con frutos comestibles todos ellos muy abundantes en vitamina C, flavonoides y
aceites esenciales. Los frutos, llamados hespérides, tienen la particularidad de que
su pulpa está formada por numerosas vesículas llenas de jugo. Es un esperidio
carnoso de cáscara más o menos gruesa y endurecida, y su pulpa está formada
74
típicamente por once gajos u hollejos llenos de jugo, el cual contiene mucha
vitamina C, flavonoides y aceites esenciales.
Como todas las frutas cítricas, la naranja es ácida, con un pH entre 2,5 y 3, según
la madurez, tamaño y variedad de la pieza. Aunque esto no es, de media, tan
fuerte como el limón, sigue siendo un valor fuerte en la escala de pH, tanto como
S
O
D
VA
el vinagre. Sin embargo gracias a su contenido en azúcares simples no destaca
ER
S
E
R
S
El componente que más ha dado que
hablar
O de la naranja es su vitamina C, ya
H
C
E hasta el 90 % de las necesidades diarias, sin
que 100g de productoR
contiene
E
D
embargo también contiene sustancias no-nutritivas entre las que cabe destacar la
tanto el sabor ácido como pueda pasar en el pomelo.
presencia de fitoquímicos, tales como flavonoides (con efectos antioxidante,
antiinflamatorio y antitumoral) y limonoides (anticancerígeno). (Nutribonum, 2013).
Figura 2.10. Naranja (Nutribonum, 2013)
75
2.2.10.2. Propiedades de la naranja
Composición por 100 gramos de porción comestible.
Tabla 2.3. Composición de la naranja, (Botanicalon line, 2014)
Agua
Energía
Grasa
Proteína
Hidratos de carbono
Fibra
Potasio
Fósforo
Hierro
Sodio
Magnesio
Calcio
Vitamina B1 (Tiamina)
Vitamina B2 (Riboflavina)
Vitamina B3 (Niacina)
Vitamina B6 (Piridoxina)
Vitamina E
Ácido fólico
Vitamina A
Vitamina C
Manganeso
Zinc
Cobre
D
S
O
D
VA
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86,34 g
49 Kcal
0,30 g
1,04 g
11,89 g
2,5 g
179 mg
17 mg
0,09 mg
0 mg
10 mg
40 mg
0,087 mg
0,040 mg
0,27 mg
0,063 mg
0 mg
39 mcg
230 UI
48,5 mg
0,025 mg
0,06 mg
0,037 mg
2.2.10.3. Tipos azúcares de las naranjas
Las naranjas contienen tres tipos de azúcar: sacarosa, glucosa y fructosa. La
sacarosa es un tipo de disacárido que se forma a partir de monosacáridos. En
particular, ésta se forma cuando la glucosa y la fructosa se combinan entre sí. La
glucosa, un tipo de monosacárido, es el tipo más común de azúcar en la
naturaleza. Cuando las naranjas maduran, las enzimas ayudan a descomponer la
76
sacarosa en glucosa y fructosa, lo que les proporciona un sabor algo dulce. Si las
naranjas no están lo suficientemente maduras tienen un sabor más amargo. Dado
que los niveles de fructosa varían en función al momento en que maduran
naturalmente con el sol, las distintas variedades de naranjas pueden tener niveles
diferentes de fructosa. (Krause's Food y Nutrition Therapy)
2.2.10.4. Cascara de naranja
S
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D
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E
R
S
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E
piel exterior de cítricos,
ERtales como el limón, la naranja, la toronja y la lima. En
D
érminos de anatomía vegetal, se obtiene del epicarpio del fruto, que junto con la
La cáscara o piel de cítricos es un ingrediente empleado en muchas recetas, sobre
todo de repostería, para añadir sabor. Se prepara raspando o cortando la colorida
corteza blanca adyacente (mesocarpio) forma su piel. En el caso de la cáscara de
naranja, la colorida piel exterior se denomina flavedo y corresponde al exocarpio;
inmediatamente por debajo se encuentra el alvedo que sería el mesocarpio. Las
cantidades de una y otra capa varían de un cítrico a otro, y puede ser ajustada por
la forma en la que se preparan. La cáscara puede usarse fresca, seca,
caramelizada o encurtida en sal. Severinia produjo frutos grandes y con un albedo
muy grueso, por lo que su cáscara fue de mayor peso (69.7 g). (Nutribonum, 2013)
Figura 2.11. Cascara de la naranja (Nutribonum, 2013)
77
2.2.10.5. Contenido de fructosa
Las naranjas contienen altos niveles de sacarosa y niveles bajos de glucos a,
dejando a la fructosa a la mitad. Una naranja de 3 pulgadas (7,62 cm) tiene 3,1 g
de fructosa. Los niveles exactos de fructosa varían en base a la madurez de la
fruta, la ubicación en la que se cultiva y sus condiciones de almacenamiento.
(Nutribonum, 2013)
R
SE
E
R
S
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E
Rsuele usarse para darle sabor a diferentes pasteles y
La cáscara de E
Dcítrico
2.2.10.6. Usos

S
O
D
VA
dulces, así como para preparar mermeladas, salsas, sorbetes e incluso en
ensaladas y cocteles.

El epicarpio es la fuente de los aceites esenciales cítricos (aceite de
naranja, aceite de limón, etcétera), que son importantes saborizantes. El
aceite esencial de limón es el principal saborizante de las gominolas de limón.

Utilización de materia prima a ser fermentada para la producción de alcohol en
las industrias alimenticias.
2.2.11. Limón
Citrus limón, es un pequeño árbol frutal perenne que puede alcanzar más de 4 m
de altura. Su fruto es el limón una fruta comestible de sabor ácido y
extremadamente fragante que se usa en la alimentación.
78
D
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S
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VA
Figura 2.12. Limón (ACN, 2014)
2.2.11.1. Propiedades
Composición de limón por cada 100 gr.
Tabla 2.4. Composición del limón, (Botanicalon line, 2014)
Agua
91 gr
Potasio
124 mg
Proteínas
0,38 gr
Fósforo
6 mg
Calorías
24 kcal
Calcio
7 mg
Magnesio
6 mg
Azúcar
2.5 g
Fibra
Vitamina C
0,5 gr
46 mg
2.2.11.2. Usos y características
Entre sus mayores aplicaciones y usos (Botanicalon line, 2014) ratifica:
79
Usos

Aplicaciones
El principal uso que se le da es el
de
condimento
de
comidas,
utilizándose para ello su jugo.


 Para
medir
la
madurez
se
establece una relación entre sus
azúcares y la acidez.
Por su contenido en vitamina C se
 El ácido cítrico que contienen es
utilizó durante algún tiempo para
bactericida y son portadores de
combatir el escorbuto. Tiene una
varias vitaminas, desde la C a la
acción como desinfectante natural.
P.
S
O
D
VA
ER
S
E
El zumo se ha usado para fabricar S REl zumo es de gran valor
HO dietético, aporta minerales,
bebidas refrescantes E
yC
además
DERdiuréticas y
hídricos, vitaminas y glúcidos.
tiene propiedades
facilita la digestión. La corteza se
usa en perfumería, pastelería y en
la confección de licores.
2.2.12. Piña
Piña o el ananá o ananás, es una planta perenne de la familia de
las bromeliáceas, nativa de América del Sur. Esta especie, de escaso porte y con
hojas duras y lanceoladas de hasta 1 metro de largo, fructifica una vez cada tres
años produciendo un único fruto fragante y dulce, muy apreciado en gastronomía.
La piña es un fruto no climatérico, o sea que hay que cosecharlo ya maduro pues
una vez cortado la maduración se detiene por completo y empieza a deteriorarse.
La piña es poco sensible a la presencia de etileno, y tiene baja producción de esta
fitohormona. Las condiciones más apropiadas para su conservación son
temperaturas de 7 a 13 °C y humedad de 85-90 %. Tiene un elevado contenido de
agua y un bajo valor calórico. Así, 100 gramos de piña proporcionan sólo 55
80
calorías. Este aporte calórico se debe a su contenido en hidratos de carbono, ya
que el porcentaje de grasas y proteínas es casi inapreciable. (Nutribonum, 2013).
D
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S
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Figura 2.13. Piña (Nutribonum, 2013).
2.2.12.1. Índice glucémico de la piña
La piña recibe una clasificación GI de 66. Con esta calificación la piña cae dentro
de la mitad superior de la gama GI medio del 56 a 69. El jugo de piña sin azúcar,
sin embargo, recibe una calificación de 46, 20 puntos por debajo de la piña
completa. Esto es algo anómalo, ya que la mayoría de los jugos de frutas que
contienen 100 por ciento de jugo de frutas por lo general tienen clasificaciones GI
iguales o ligeramente más altas que su fuente de fruta entera. La piña en
conserva, envasadas en su jugo, tiene un GI similar al jugo de piña, en 43. Sin
embargo, algunos tipos de piña en conserva vienen empaquetadas en jarabe
81
azucarado, lo que podría aumentar el GI de los alimentos. (Krause's Food y
Nutrition Therapy, 2014).
Tabla 2.5. Índice glucémico de la piña (Krause's Food y Nutrition Therapy, 2014).
Nutriente
Azúcar
Fructosa
Galactosa
Glucosa
Cantidad
10,40 g.
2,05 g.
0 g.
1,79 g.
D
Cantidad
0 g.
0 g.
0 g.
6,56 g.
S
O
D
VA
R
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R
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O
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C
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2.2.12.2. Propiedades
Nutriente
Lactosa
Maltosa
Oligosacaridos
Sacarosa
Composición por cada 100 g y la energía es de 50 kcal o 209 kJ
Tabla 2.6. Composición de la piña, (Botanicalon line, 2014)
Carbohidratos
Azúcares
Fibra alimentaria
Grasas
Proteínas
Riboflavina (vit. B2)
Ácido pantoténico (vit. B5)
Vitamina B6
Ácido fólico (vit. B9)
Vitamina C
Calcio
Hierro
Magnesio
Manganeso
Fósforo
Potasio
Sodio
Zinc
13.12 g
9.85 g
1.4 g
0.12 g
0.54 g
0.032 mg (2%)
0.213 mg (4%)
0.112 mg (9%)
18 μg (5%)
47.8 mg (80%)
13 mg (1%)
0.29 mg (2%)
12 mg (3%)
0.927 mg (46%)
8 mg (1%)
109 mg (2%)
1 mg (0%)
0.12 mg (1%)
82
2.2.13. Parchita
Es una fruta pastusa del género Passiflora. También conocida como fruta de la
pasión, la parchita tiene un contenido de agua y fibras, lo que la convierte en un
alimento funcional para prevenir el estreñimiento, reducir los niveles de colesterol
en sangre y mantener el azúcar en sus límites, en caso de las personas con
diabetes. La pasionaria es una enredadera trepadora; puede alcanzar los 9 metros
S
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VA
de longitud en condiciones climáticas favorables, aunque su período de vida no
O
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ER
D
R
SE
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S
supera por lo general la década.
Su tallo es rígido y leñoso; presenta hojas alternas de gran tamaño, perennes,
lisas y de color verde oscuro. Una misma planta puede presentar hojas no
lobuladas cuando se empieza a desarrollar, y luego hojas trilobuladas, por el
fenómeno de heterofilia foliar. Las raíces, como es habitual en las trepadoras, son
superficiales. (Venelogia, 2015)
Figura 2.14. Parchita (Venelogia, 2015)
83
2.2.13.1. Propiedades
En estas propiedades la parchita tiene una composición por cada 100 g.
Tabla 2.7. Composición de la parchita, (Botanicalon line, 2014)
Carbohidratos
Fibra alimentaria
Proteínas
Riboflavina (vit. B2)
Vitamina B6
Vitamina E
Calcio
Magnesio
Azúcares
Grasas
Agua
Niacina (vit. B3)
Vitamina C
Vitamina K
Hierro
Fósforo
D
S
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R
S
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H
C
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ER
23.38 g
10.4 g
2.20 g
0.130 mg (9%)
0.100 mg (8%)
0.02 mg (0%)
12 mg (1%)
29 mg (8%)
11.20 g
0.70 g
72.93 g
1.500 mg (10%)
30.0 mg (50%)
0.7 μg (1%)
1.60 mg (13%)
68 mg (10%)
2.2.13.2. Características
Sus frutos son comestibles, de forma ovoide parecido a un huevo de gallina,
carnosa, con piel amarilla o violáceo y naranja dependiendo de su madurez y
variedad; de textura lisa y brillante cuando está en proceso de maduración y
arrugada cuando esta lista para comer; su pulpa tiene una primera capa delgada
pegada a la piel de color carmesí, seguida de una segunda capa fina de color
blanca que protege a las semillas de su interior; las semillas negras grisáceos
están envueltas en una especie de gelatina de color anaranjado o amarillo
verdoso, muy jugosa , agridulce y muy aromática; su sabor recuerda la piña y la
guayaba.
84
Las variedades comerciales de la parchita son: morada, amarilla y granadilla,
estas dos últimas presentan los mejores tamaños, la granadilla es la más dulce
con una consistencia muy espesa semejante a una mermelada. Piel amarilla o
passiflora maliformis es originaria del Amazonas y se destaca por su piel amarilla;
su sabor es agridulce y debido a sus excelentes cualidades aromáticas se utiliza
para perfumar. (Venelogia, 2015).
2.2.13.3. Usos
S
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VA
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SE
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R
S
HO
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E
consumido directamente
ERen refrescos, o ser industrializado para la elaboración de
D
cremas alimenticias, dulces cristalizados, sorbetes, licores, confites, néctares,
El maracuyá se cultiva para aprovechar el jugo del fruto, el cual puede ser
jaleas, refrescos y concentrados. La cáscara es utilizada en Brasil para preparar
raciones alimenticias de ganado bovino, pues es rica en aminoácidos, proteínas,
carbohidratos y pectina. Este último elemento hace que se emplee en la industria
de la confitería para darle consistencia a jaleas y gelatinas.
La semilla contiene un 20-25 % de aceite, que según el Instituto de Tecnología y
Alimentos se puede usar en la fabricación de aceites, tintas y barnices. Este aceite
puede ser refinado para otros fines como el alimenticio, ya que su calidad se
asemeja al de la semilla de algodón en cuanto a valor alimenticio y a la
digestibilidad; además contiene un 10% de proteína. Otro subproducto que se
extrae es la maracuyina, un tranquilizante muy apreciado en Brasil y que se
comienza a conocer en El Salvador como Pasiflora. (Passifloras, 2015)
2.3. Términos básicos
ACIDO PIRÚVICO: m. Quim. Compuesto que en disolución acuosa aumenta la
85
concentración de iones de hidrogeno y que es capaz de formar sales por reacción
con algunos metales con las bases. Diccionario de la lengua española
ANAEROBIO: adj. Y m. (Organismo) que puede vivir y desarrollarse en ausencia
completa o casi completa de oxigeno molecular libre. Diccionario de la lengua
Española (2005)
S
O
D
VA
R
ANFÓTERA: es aquella que puede reaccionar ya sea como un hidrácido o como
una base.
O
H
C
E
ER
D
SE
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R
S
ATP (trifosfato de adenosina): es un nucleótido fundamental en la obtención de
energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al
carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene
enlazados tres grupos fosfato. Es la principal fuente de energía para la mayoría de
las funciones celulares. Wikipedia (2015).
AZÚCAR: Sustancia de sabor dulce y color blanco, cristalizada en pequeños
granos, que se extrae principalmente de la remolacha en los países templados y
de la caña de azúcar en los tropicales, a través de la concentración y la
cristalización de su jugo Diccionario de la lengua española
BACTERIA: Microorganismo unicelular, sin núcleo definido por una membrana.
Interviene en procesos como la fermentación, y puede ser causante de
enfermedades tales como el tifus, el cólera, afecciones venéreas, etc. Diccionario
de la lengua española.
BIOCARBURANTE O BIOCOMBUSTIBLE: es una mezcla de sustancias
orgánicas que se utiliza como combustible en los motores de combustión interna.
86
Deriva de la biomasa, materia orgánica originada en un proceso biológico,
espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.
BIORREACTOR: es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico
que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de
dichos organismos y puede ser aeróbico o anaeróbico. Diccionario de la lengua
S
O
D
VA
española.
ER
S
E
R
S
diversas formas de energía (entre las
que
O se encuentran los combustibles) y
H
C
E de modo que se parte de biomasa (residuos
productos químicos derivados,
R
E
D
agrícolas, agroindustriales, residuos orgánicos municipales, etc.) en lugar de
BIORREFINERIA: consisten en una estructura enfocada hacia la producción de
petróleo.
CARBURANTE: Combustible, mezcla de hidrocarburos, que se emplea en los
motores de explosión y de combustión interna. Diccionario de la lengua española
CELOBIOSA: es un azúcar doble (disacárido) formado por dos glucosas unidas
por los grupos hidroxilo del carbono 1 en posición beta de una glucosa y del
carbono 4 de la otra glucosa.
CELULOSA: es un biopolímero compuesto exclusivamente de moléculas de βglucosa (desde cientos
hasta varios miles
de unidades), pues
es
un
homopolisacárido. La celulosa es la biomolécula orgánica más abundante ya que
forma la mayor parte de la biomasa terrestre.
DISACÁRIDOS: Son los oligosacáridos de mayor importancia biológica y sus
propiedades físicas son parecidas a las de los monosacáridos. Los disacáridos
87
principales son la sacarosa o azúcar de mesa; la lactosa o azúcar de la leche de
los mamíferos y la maltosa, producto de la hidrólisis del almidón. Enciclopedia
Superior (1995).
ENDOCARPIO: puede bien tener una consistencia parecida a la del mesocarpio o
endurecerse mucho. Enciclopedia Superior (1995).
S
O
D
VA
R
ENZIMA: Molécula formada principalmente por proteínas que producen las células
SE
E
R
organismo. Diccionario de la lengua española.
S
O
H
C
E
R
DE
vivas y que actúan como catalizador y regulador en los procesos químicos del
EPICARPIO: es normalmente una capa delgada coloreada que aunque
endurecida no suele ser leñosa. Enciclopedia Superior (1995)
FLAVONOIDES: son pigmentos naturales presentes en los vegetales y que
protegen al organismo de los daños producidos por sustancias o elementos
oxidantes como los rayos ultravioleta, la contaminación ambiental y de s ustancias
nocivas presentes en los alimentos. Enciclopedia Superior (1995).
FURFURAL: es un aldehído aromático industrial, con una estructura en anillo
derivado de varios subproductos de la agricultura, maíz, avena, trigo, aleurona,
aserrín. Enciclopedia Superior (1995).
FRUCTOSA: o levulosa, es una forma de azúcar encontrada en los vegetales,
las frutas y la miel. Es un monosacárido con la misma fórmula empírica que
la glucosa pero con diferente estructura, es decir, es un isómero de ésta. Es
una hexosa (6 átomos de carbono), pero cicla en furano (al contrario que las otras
hexosas, que lo hacen en pirano). Enciclopedia Hispánica (1996).
88
GALACTOSA: es un azúcar simple o monosacárido formado por seis átomos de
carbono o hexosa, que se convierte en glucosa en el hígado como aporte
energético. Además, forma parte de los glucolípidos y las glucoproteínas de las
membranas celulares, sobre todo de las neuronas. Campbell, Peters y Smith
(2006).
S
O
D
VA
GLICINA O GLICOCOLA (GLY, G): es uno de los aminoácidos que forman las
ER
S
E
R
S
GLÚCIDOS: son moléculas orgánicas
compuestas
por carbono, hidrógeno y
O
H
C
oxígeno. Son solublesR
enE
agua y se clasifican de acuerdo a la cantidad de
E
D
carbonos o por el grupo funcional que tienen adherido. Son la forma biológica
proteínas de los seres vivos. Campbell, Peters y Smith (2006).
primaria de almacenamiento y consumo de energía. Otras biomoléculas
energéticas son las grasas y, en menor medida, las proteínas. Campbell, Peters y
Smith (2006).
GLUCOLÍPIDO: Especie bioquímica de naturaleza mixta entre los glúcidos o
carbohidratos y los lípidos o grasas. Enciclopedia Hispánica (1996).
GLUCOLISIS: Conjunto de reacciones químicas del interior de la célula que
degradan algunos azucares, obteniendo energía en el proceso. Diccionario de la
Lengua Española (2005).
GRADO
DE
POLIMERIZACIÓN:
indica cuántas
unidades
repetitivas
se
encuentran en un polímero. Diccionario de la Lengua Española (2005).
HESPERIDIO: es un tipo de baya modificada, a menudo obtenido decítricos. Es
un fruto carnoso de cubierta más o menos endurecida, denominada pericarpio,
89
constituida por epicarpio, mesocarpio y endocarpio, y materia carnosa entre
el endocarpio o pared interior del ovario y las semillas. Diccionario de la Lengua
Española (2005).
HIDRÓLISIS: es una reacción química entre una molécula de agua y otra
molécula, en la cual la molécula de agua se divide y sus átomos pasan a formar
S
O
D
VA
parte de otra especie química. Esta reacción es importante por el gran número de
R
contextos en los que el agua actúa como disolvente. Diccionario de la Lengua
Española (2005).
SE
E
R
S
O
H
C
E
HPLC: high performance
R liquidchromatography o cromatografía líquida de alta
E
D
eficacia, es una técnica utilizada para separar los componentes de una mezcla
basándose en diferentes tipos de interacciones químicas entre las sustancias
analizadas y la columna cromatográfica y es utilizada frecuentemente en
bioquímica y química analítica. Wikipedia (2015).
HUMEDAD: es la pérdida en masa de una muestra de material bajo ensayo,
sometido a un procedimiento de desecamiento por calor. Dicha masa comprende
el agua y también las sustancias volátiles a la temperatura a que se efectúa la
determinación. Norma COVENIN 1156-1979.
INOCULACIÓN: implantación de microorganismos o material infeccioso a un
medio de cultivo como puede ser en la fabricación de cerveza o poner
microorganismos o virus en el lugar donde la infección es posible. Diccionario de
la Lengua Española (2005).
LIMONOIDES: son fitoquímicos, abundantes en frutos de cítricos y otras plantas
de las familias Rutaceae y Meliaceae. Botanicalonline, (2014).
90
LEVADURAS OSMOTOLERANTES: son la principal causa de alteración de los
alimentos altamente azucarados. Botanicalonline, (2014).
MALTOSA: conocida como maltobiosa o azúcar de malta, es un disacárido
formado por dos glucosas unidas por un enlace glucosídico producido entre el
oxígeno del primer carbono anomérico (proveniente de -OH) de una glucosa y el
S
O
D
VA
oxígeno perteneciente al cuarto carbono de la otra. Wikipedia (2015).
ER
S
E
R
obtiene la energía y los nutrientes (carbono,
por
ejemplo) que necesita para vivir y
S
O
H
C
reproducirse. Wikipedia (2015).
E
R
DE
METABOLISMO MICROBIANO: es el conjunto de procesos por los cuales un
MESOCARPIO: suele estar construido por muchas células grandes y suele ser la
parte suculenta de las frutas. Botanicalonline, (2014).
MITOCONDRIAS. Son organelos citoplásmicos eucarióticos limitados por una
membrana externa y una interna que se invagina en crestas; estas son el centro
de las actividades respiratorias aeróbicas y de la síntesis de ATP en la célula
(Charlotte J. Avers, 1991).
MONOSACÁRIDOS: son azúcares simples son los glúcidos más sencillos, no se
hidrolizan, es decir, no se descomponen en otros compuestos más simples.
Poseen de tres a siete átomos de carbono y su fórmula empírica es (CH2O)n . El
principal monosacárido es la glucosa, la principal fuente de energía de las células.
Enciclopedia Superior (1995).
OLIGOSACÁRIDOS: Carbohidratos formados por entre tres y seis unidades de
azucares
simples
o monosacáridos.
Muchos
de ellos se obtienen por
91
fragmentación de carbohidratos más complejos. La mayoría de los naturales son
de origen vegetal. Enciclopedia Hispánica (1996).
PECTINAS: son un tipo de heteropolisacáridos. Una mezcla de polímeros ácidos y
neutros muy ramificados. Son el principal componente de la lámina media de
la pared celular y constituyen el 30 % del peso seco de la pared celular
S
O
D
VA
primaria de células vegetales. En presencia de agua forman geles. Determinan la
R
porosidad de la pared, y por tanto el grado de disponibilidad de los sustratos de
SE
E
R
S
las enzimas implicadas en las modificaciones de la misma. Wikipedia (2015).
O
H
C
E
pH: Símbolo convencional
R que expresa el numero de iones de hidrogeno libres,
E
D
entre 1 y 14, en una solución. Diccionario de la lengua española
OXIDACIÓN: Es un proceso en el que el estado de oxidación de algún elemento
aumenta y los electrones aparecen en el lado derecho de una semi-ecuación
Petrcci, Harwood y Herring (2003).
PENTOSAS: son monosacáridos (glúcidos simples) formados por una cadena de
cinco átomos de carbono que cumplen una función estructural. Como los demás
monosacáridos aparecen en su estructura grupos hidroxilo (OH). Además, también
pueden llevar grupos cetónicos o aldehídicos. Wikipedia (2015).
PERICARPIO: es en botánica, la parte del fruto que recubre su semilla y consiste
en el ovario fecundado. Enciclopedia Hispánica (1996).
POLIESTIRENO (PS): es un polímero termoplástico que se obtiene de la
polimerización del estireno monómero. Enciclopedia Hispánica (1996).
92
POLISACÁRIDOS: Son hidratos de carbono que por hidrólisis completa mediante
ácidos o enzimas específicos producen monosacáridos y/o derivados sencillos de
éstos. Los polisacáridos que están constituidos por la repetición de una sola
unidad monomérica se llaman homopolisacáridos, mientras que si son el resultado
de
la combinación
de
dos
o
más
unidades,
reciben
el
nombre
de
heteropolisacáridos. Enciclopedia Superior (1995).
S
O
D
VA
ER
S
E
R
igualmente ayuda en la liberación de energía
de los carbohidratos. Enciclopedia
S
O
H
Superior (1995)
C
E
DER
RIBOFLAVINA: (vitamina B2) trabaja con otras vitaminas del complejo B y es
importante para el crecimiento corporal y la producción de glóbulos rojos e
RIBOSA: pentosa o monosacárido de cinco átomos de carbono de alta relevancia
biológica en los seres vivos al constituir uno de los principales componentes
del ARN en su forma cíclica, y de otros nucleótidos no nucleicos como el ATP.
Wikipedia (2015).
SACAROSA: es la azúcar común o azúcar de mesa es un disacárido formado por
alfa-glucopiranosa y beta-fructofuranosa. Enciclopedia Superior (1995)
TAPIOCA: es la fécula extraída de la yuca (también conocida con el nombre de
mandioca). Diccionario de la lengua española
XILOSA: también llamada
azúcar de madera, es
una aldopentosa un
monosacárido que contiene cinco átomos de carbono y que contiene un grupo
funcional aldehído- que tiene un isómero funcional que es la xilulosa. Wikipedia
(2015).
93
2.4. Sistema de variables
Objetivo general: Determinación del rendimiento de bioetanol obtenido a partir de
la fermentación alcohólica de residuos cítricos.
Objetivos
Variable
Sub variables
específicos
o dimensiones
Caracterizar físico-
Residuos
químicamente el
cítricos
Indicadores
S
O
D
disponibilidad
A
V
R
SE % de mezcla

Demanda o

pH

o
Brix

o
Brix

pH
químicamente el

Azucares reductores
licor

Azucares totales
E
R
S
HOCaracterísticas
extracto de los
C
E
R
DE
residuos cítricos
Realizar la
fermentación
alcohólica de los
residuos cítricos
Caracterizar físico-
de los residuos
cítricos.
Rendimiento de
bioetanol
Fermentación
Fermentación
alcohólica
alcohólica de
los residuos
cítricos
Licor obtenido
Determinar el
Separación de
rendimiento bruto
bioetanol del
y neto del
liquido
bioetanol
 Volumen de
destilado obtenido
Rendimiento
 % de bioetanol
bruto y neto
obtenido por
cromatografía
CAPITULO III
MARCO METODOLOGICO
El marco metodológico constituye la descripción y análisis de los métodos que se
emplearán durante el estudio de investigación, a través de una serie de pasos que
S
O
D
VA
permitan crear, acumular o solucionar problemas. Diferentes autores señalan que
R
científicamente la metodología es un estudio analítico de los tipos de
SE
E
R
S
investigación, así como de las técnicas e instrumentos de recolección de
O
H
C
E
ER
información.
D
3.1. Tipo de investigación
Existen varios tipos de investigación científica dependiendo del método y de los
fines que se persiguen. La investigación, de acuerdo con Sabino (2000), “versa
sobre algún área del conocimiento, aunque esta pertenezca a mas de una
disciplina científica, pero una investigación puede definirse también como un
esfuerzo que se emprende para resolver un problema, claro está, un problema de
conocimiento”.
Arias (2006), señala que en un estudio pueden identificarse diversos tipos de
investigación, existiendo muchos modelos y diversas clasificaciones, sin embargo,
independientemente de la clasificación utilizada “todos son tipos de investigación,
y al no ser excluyentes, un estudio puede ubicarse en más de una clase” (p.23)
Ahora bien, desde el punto de vista puramente científico, la investigación es un
proceso metódico y sistemático dirigido a la solución de problemas o preguntas.
95
La investigación descriptiva tiene como propósito describir situaciones y eventos;
esto es especificar cómo se realiza y como es determinado fenómeno, se miden y
evalúan diversos aspectos, componentes o dimensiones del problema a investigar.
Hernández, Fernández y Baptista, (2006).
Por lo anteriormente mencionado se consideró que esta investigación es de tipo
S
O
D
VA
descriptiva, ya que permite determinar el rendimiento de bioetanol obtenido a partir
de la fermentación alcohólica de residuos cítricos.
O
H
C
E
ER
3.2. Diseño de la investigación
D
R
SE
E
R
S
De acuerdo con las características de una investigación de tipo descriptivo, se
hace necesario elegir un diseño capaz de ajustarse a la necesidad de describir el
fenómeno. Por tal motivo se adopto el diseño experimental propuesto por
Hernández, Fernández y Baptista, (2006).
Según Arias (2006), “El diseño de la investigación es la estrategia que adopta el
investigador para responder el problema planteado. En atención al diseño, la
investigación se clasifica en: investigación documental, investigación de campo e
investigación experimental” (p.26).
En esencia, un experimento consiste en someter el objeto de estudio a la
influencia de ciertas variables, en condiciones controladas y conocidas por el
investigador, para observar los resultados que cada variable produce en el objeto.
(Sabino, 2000).
En función a las opiniones expuestas por los autores mencionados, es posible
asegurar que esta investigación es de tipo experimental ya que implica una
96
situación controlada en la cual se manipulan intencionalmente una o más variables
independiente (Causas) para analizar las consecuencias de esa manipulación
sobre una o más variables dependientes (efectos). Asimismo, un experimento
puede servir para estudiar, por medio de intervenciones controladas, el
comportamiento de una determinada variable (fenómeno). En este caso se
diseñaría un experimento destinado a alcanzar el rendimiento de bioetanol
obtenido a partir de la fermentación alcohólica de residuos cítricos.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
diseño experimental, ya que se genero una
situación
en este caso que se baso en
S
O
Hque constituyen la variable independiente del
la fermentación de residuos
cítricos
C
E
ER medir las consecuencias de esta manipulación en la
estudio y luego D
se pudieron
Una vez definido el tipo de estudio a realizar se le atribuyó a esta investigación el
variable dependiente, que sería el rendimiento de bioetanol.
3.3. Técnicas de recolección de datos
En esta investigación se utilizan las siguientes técnicas para la recolección de
datos:
3.3.1. Observación directa
La observación directa o participante es aquella en la cual el observador interactúa
con los sujetos observados. (Hernández et al., 2006).
En esta investigación se utilizó la observación directa ya que es se estuvo en
contacto directo con el experimento, bien sea observando el comportamiento de la
fermentación alcohólica del mismo, tomando los valores necesarios para las
97
características físico-químicas, en la medición de las variables, para poder
determinar el rendimiento de bioetanol obtenido a partir de la fermentación
alcohólica de residuos cítricos.
Por lo tanto, se puede decir que la observación consiste en el uso sistemático de
nuestros sentidos orientados a la captación de la realidad que se estudió, ya que,
S
O
D
VA
se emplearon todos los sentidos en especial el de la vista, para manipular las
R
variables presentes en la investigación, para establecer su comportamiento y
SE
E
R
S
evaluar su efecto, participando en el espacio en donde se desarrollan los ensayos
O
H
C
E
ER
siendo esencial el sentido de la vista.
D
3.3.2. Observación indirecta
Según Muñoz (1998), esta técnica se basa en la inspección de un fenómeno sin
estar en contacto directo con él, si no tratándolo atreves de métodos específicos
que permitan hacer las observaciones pertinentes de sus características y
comportamiento. Por lo general, el investigador utiliza información obtenidas por
otros, ya sea de testimonios orales o escritos de personas que han tenido contacto
de primera mano con la fuente que proporciona esos datos
La utilización de esta técnica fue indispensable para la realización de la
cromatografía del alcohol obtenido a partir de la fermentación de residuos cítricos.
3.4. Instrumento de recolección de datos
Un instrumento de recolección de datos es aquel que registra datos observables
que representan verdaderamente a los conceptos o variables que el investigador
98
tiene en mente. (Hernández et al., 2006).
Las técnicas de procesamiento y análisis de los datos describen las distintas
operaciones a las que serán sometidos los datos que se obtengan: clasificación,
registro tabulación y codificación. (Arias, 2006).
S
O
D
VA
El trabajo de investigación se encuentra dividido en cuatro fases, en las cuales se
R
SE
E
R
S
explica en detalle, cada una de las actividades realizadas durante el experimento.
HO
C
E
C1 R
(kg)
C2 (kg)
E
Tabla 3.1. Tipos de residuos cítricos y cantidad.
D
Residuo cítrico
C3 (kg)
C4 (kg)
C5 (kg)
Esta tabla nos ayudara a recolectar los tipos y cantidades de los residuos
encontrados para los 5 centros visitados.
Tabla 3.2. Caracterización fisicoquímica del jugo extraído de la concha de los
residuos cítricos.
Tipos de residuos
cítricos
pH
o
Brix
Esta Tabla 3.2 corresponde al análisis físico-químico del extracto de los residuos
cítricos, donde se selecciona el tipo de desecho para cada muestra a estudiar y en
99
las siguientes dos columnas se anexaran los resultados obtenidos en los análisis
como el pH, y el contenido de los grados brix realizados para cada una de las
cascaras de las frutas elegidas. Estos resultados representa el punto de partida y
base de los ensayos posteriores que se realizaran.
Posteriormente se elaboro una tabla para llevar la consecuencia para cada día de
S
O
D
VA
los grados brix mediante el proceso de la evolución fermentativa para cada una de
ER
S
E
R
S
Tabla 3.3. Seguimiento de losO
ºBrix
en el proceso de fermentación
H 1
C
E
Día
Muestra
Muestra 2
DER
las muestras de las cascaras de los residuos cítricos.
La Tabla 3.3 será usada para la recolección de los ºBrix a lo largo de la
fermentación el cual se llevo un seguimiento día a día.
Tabla 3.4. Caracterización fisicoquímica del licor obtenido a partir de la
fermentación.
Muestra 1
Día
pH
Azucares
reductores
Muestra 2
Azucares
Totales
Día
pH
Azucares
reductores
Azucares
totales
La Tabla 3.4 representa el resultado obtenido para el día 5, por medio de métodos
diferentes de los azucares reductores, azucares totales y el pH de cada una de las
muestras obtenidas después de la culminación de la fermentación.
100
Tabla 3.5. Cantidad de destilado.
Muestra
Cantidad de bioetanol (ml)
La Tabla 3.5 empleará para la recolección de datos obtenidos en Muestra 1 y la
Muestra 2 de destilado.
S
O
D
Tabla 3.6. Concentración de bioetanol por cromatografía
A
V
R
Muestra
Área del bioetanol (pA*s) SE Área total (pA*s)
E
R
S
HO
C
E
DER
En la Tabla 3.6 se empleará para la recolección de datos referentes al bioetanol
obtenido en cada muestra por medio de la cromatografía de gases.
Tabla 3.7. Cantidades en volumen evaluadas por la energía
Muestra
Tiempo de
calentamiento
Capacidad de
la manta
Energía calorífica
del etanol
Densidad
del etanol
La Tabla 3.7 se indicara los resultados recolectados para la capacidad de
calentamiento de la manta, el tiempo que duro el calentamiento de la misma e
igualmente propiedades del etanol como la energía calorífica y su respectiva
densidad.
3.5. Fases de la investigación
La base fundamental y preparación de este trabajo de investigación se requirió la
101
indagación de diversas referencias bibliográficas de revistas, guías, libros,
artículos, manuales, publicaciones, y páginas de Internet referentes al tema de
investigación; el cual consta de cuatro fases, las cuales se explican en forma
especificada el procedimiento aplicado para la obtención de resultados, donde los
resultados se comparan, sintetizan e interpretan de manera cualitativa y
cuantitativa.
S
O
D
Alos residuos
3.5.1. Fase 1. Caracterización físico-químicamente el extracto
de
V
R
SE
cítricos
E
R
S
O
H
C
E
R
Esta fase concierne
DEa la determinación de las propiedades físico- químicas, que
conforma la materia prima, a ser utilizada en todo el proceso, para llevar a cabo la
ejecución de esta fase fue; ineludible realizar un estudio bibliográfico que
establece varios métodos prácticos, de tal manera que permitiera el procedimiento
adecuado para la ejecución del experimento. Las actividades son descriptas a
continuación:
3.5.1.1. Residuos cítricos
Se realizaron visitas a varios centros de generación de residuos cítricos para
identificar cuáles eran los más comunes y las cantidades generadoras de cada
uno de ellos y luego se determino el promedio por centro.
3.5.1.2. Características de los residuos cítricos
A continuación, se obtuvo el extracto expuesto de cada una de las cascaras de las
frutas, el cual fue extraído por separado en diferentes tubos de ensayos la
102
cantidad de 20 ml de cada una de las cascaras de las frutas, para ser previamente
evaluado de manera inmediata; el pH y los ºBrix.

Determinación del pH
S
O
D
VA
Para determinar el pH, se utilizó un pHmetro de marca Metrohm pH meter 780,
previamente calibrado, el cual muestra en la pantalla el pH de la solución. (Anexo

R
SE
E
R
S
1).
HO
C
E
Rgrados ºBrix
Determinación
DdeElos
Para medir los grados Brix se colocó un volumen aproximado de 3 gotas de la
cada muestra extraída de cada uno de los residuos cítricos en el lente del
espectrómetro portátil, modelo (Model RHB-32), posteriormente se coloca la tapa
plástica por encima y se observa en la escala del espectrómetro la evaluación
expuesta de los grados brix.
3.5.2. Fase 2. Realización de la fermentación alcohólica de los residuos
cítricos
Para la realización de la fermentación alcohólica se procedió a una serie de pasos
y equipos utilizados, entre ellos se desglosa de la siguiente forma:
Materias primas y reactivos
-Cascaras de limón, naranja, piña y parchita
-Sacarosa (azúcar)
103
-Acido Sulfúrico a la concentración de 68%
-Agua destilada
-Levadura Saccharomyces Cerevisiae
Equipos utilizados
-2 Matraces Erlenmeyer de 2000 ml.
S
O
D
VA
-4 Beacker de 100 ml.
-1 Recipiente plástico de 1000 ml
-1 Cuchillo
D
-1 Balanza digital
-Papel de aluminio
O
H
C
E
ER
-1 Tabla de madera
R
SE
E
R
S
-1 Bureta de 50 ml

Preparación del proceso de fermentación
Debido a los requerimientos del proceso se realizaron dos experimentos
previamente diferentes las cuales tuvieron por nombre Muestra 1; la cual consta
de la preparación con acido sulfúrico y la Muestra 2; que no posee acido sulfúrico,
ambas se realizaron con fines de comparación. La hidrólisis ácida se realizó con
las cascaras de residuos cítricos a presión atmosférica a nivel de laboratorio.
Para la Muestra 1, (con Acido Sulfúrico):
1. Se tomaron varias cascaras de los residuos cítricos previamente fueron
cortados de tal forma que entraran en el orificio del matraz, luego se pesaron
por el recipiente en pequeñas cantidades hasta lograr un peso de 1220 gr
104
(Anexo 2), esta cantidad elegida a criterio de los porcentajes de cascaras
disponibles en gramos de las frutas y la cavidad del recipiente a utilizar.
2. Luego son tomadas nuevamente los 1220 gr y previamente colocados dentro
del matraz erlenmeyer de 2000 ml.
3. Se le adiciono 1 L de agua destilada. (Anexo 3).
S
O
D
A con sumo
gr de sacarosa y 10 gr de levadura, los cuales fueron colocadas
V
R
SE
cuidado dentro del matraz. (Anexo 4).
E
R
S
O
H
C
E
Finalizando nos basamos
en el promedio de diversos estudios para la adición
R
E
D
del acido sulfúrico a utilizar, estos nos indicaban que por cada 100 gr se le
4. A continuación se pesaron en dos beackers por separados la cantidad de 50
5.
añadía 30 ml de acido sulfúrico en 5% de concentración. A esta referencia nos
conllevó a la utilización de la regla de tres (3), en peso y porcentajes. (Anexo
5). Se procedió a la medición en una bureta el volumen de 27 ml de acido
sulfúrico en concentración de 68%, siendo este el resultado obtenido al
promediar, que luego fueron colocados dentro de la mezcla del matraz. Este
se agito hasta hacer la mezcla uniforme. Se le colocó a la boquilla del matraz
papel aluminio y posteriormente fue tapado con un beacker de 100 ml, el cual
permitió la salida del CO2 producido durante la fermentación y al mismo tiempo
este impidió el paso excesivo de aire, desde el medio hasta el mosto. (Anexo
6).
Para la Muestra 2, (sin Acido Sulfúrico):
1. Se tomaron varias cascaras de los residuos cítricos previamente fueron
cortados de tal forma que entraran en el orificio del matraz, luego se pesaron
por el recipiente en pequeñas cantidades hasta lograr un peso de 1220 gr
105
(Anexo 2), esta cantidad elegida a criterio de los porcentajes de cascaras
disponibles en gramos de las frutas y la cavidad del recipiente a utilizar.
2. Luego son tomadas nuevamente los 1220 gr y previamente colocados dentro
del matraz erlenmeyer de 2000 ml.
3. Se le adiciono 1 L de agua destilada. (Anexo 3).
S
O
D
A con sumo
gr de sacarosa y 10 gr de levadura, los cuales fueron colocadas
V
R
SE
cuidado dentro del matraz. (Anexo 4).
E
R
S
O
H
C de preparación de la muestra, el matraz fue
E
Finalizando con el R
procedimiento
DE
agito hasta hacer la mezcla uniforme. Se le coloco a la boquilla del matraz
4. A continuación se pesaron en dos beackers por separados la cantidad de 50
5.
papel aluminio y posteriormente fue tapado con un beacker de 100 ml, el cual
permitió la salida del CO2 producido durante la fermentación y al mismo
tiempo este impidió el paso excesivo de aire, desde el medio hasta el mosto.
(Anexo 6).
Como referencia para establecer la existencia de bioetanol en ambas muestras,
estas fueron preparadas al mismo tiempo, para que la levadura trabajaran de
manera eficiente, se utilizó una temperatura ambiente que oscilaba entre 26 °C y
28°C. En el transcurso aproximado de 7 a 10 minutos se podía notar la presencia
del CO2 en forma de gas originado por los microorganismos en su metabolismo
celular energético anaeróbico para procesar sus hidratos de carbono y su posterior
generación del alcohol.

Determinación de los ºBrix
Para medir el seguimiento de los grados Brix, se prosiguió la filtración de 1 ml de
106
la Muestra 1 y la Muestra 2 en el proceso de fermentación, al trascurrir la filtración
se coloco un volumen aproximado de 3 gotas de cada muestra por separado en el
lente del espectrómetro portátil, modelo (Model RHB-32), posteriormente se coloca
la tapa plástica por encima y se observa en la escala del espectrómetro la
evaluación expuesta de los ºBrix para ambas muestras. Este proceso s e conllevó
por un periodo de 144 horas equivalentes a 6 días avilés.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
para la Muestra 2 a partir del día 5, (Anexo
7),
esto se debe a que la Muestra 1
S
O
Hcatalizador el cual, acelera el proceso de
contiene ácido sulfúrico E
como
C
fermentación trabajando
DERcomo deshidratador en el proceso digestivo, se evaluó el
La evolución del progreso de fermentación fue constante por un periodo de 6 días,
el cual para la Muestra 1 los grados brix comenzaron a ser constante el día 4 y
pH, azucares reductores y totales.
3.5.3. Fase 3. Caracterización físico-química del licor
Esta fase corresponde a la determinación de las propiedades físico- químicas del
destilado que se obtuvo después del transcurso de 144 horas de fermentación
equivalentes a 6 días. El procedimiento que se llevo a cabo con diferentes
métodos para la evaluación de los azucares y con similitud a la Fase 1 referente a
los pH, concierne al ensayo de tal manera se procede a la evaluación:

Determinación del pH
Para determinar el pH, se utilizó un pHmetr de marca Metrohm pH meter 780,
previamente calibrado, el cual muestra en la pantalla el pH del alcohol fermentado.
(Anexo 1).
107

Determinación de los azucares reductores totales (ART)
Descrito por Miller (1959); Las concentraciones de los ART se determinaron de
acuerdo al método Sumer que se trabaja con el acido dinitrosalicilico (DNS), al
igual que para la determinación de azucares totales, la construcción de una curva
de calibración; la cual se determinó con concentraciones conocidas de glucosa, a
S
O
D
VA
diferencia de la curva de azucares totales en la cual se utilizó sacarosa. Se llevó a
cabo de la siguiente manera:
ER
S
E
R
Se tomo de ambas muestras un volumen S
de 20
ml en dos beackers por separados
O
Hfueron filtrados y trasbordado en dos tubos de
C
con su previa identificación,
estos
E
DER
ensayos y se continúo
con el procedimiento para la cuantificación de ART de la
siguiente manera:
1. Para el procedimiento fueron adicionados 0,5 ml de las Muestras en tubos de
ensayos y se le adiciono 0,5 ml de dinitrosalicilico en cada uno de los tubos de
ensayo, agitándolos de tal forma que tuvieran uniformidad en la unión de las
mezclas.
2. Luego de ser agitados consecutivamente los tubos son colocados en un
beacker de 500 ml al baño de María, para su posterior medio reaccional
permaneció en el agua a temperatura promedio de 95 °C a 100 °C por un
tiempo de 5 minutos exactos.
3. Estos fueron retirados y enseguida enfriados en un baño de hielo por un
periodo de 5 minutos
4. Se extrajo de cada muestra 0.5 ml y se le añadió 5 ml de agua destilada.
5. Concluyendo el procedimiento se midió utilizando un espectrómetro Genesys
10UV de onda 540nm.
108

Contenido de los azucares totales
Método fenol- ácido sulfúrico (Método de Dubois). En ácido sulfúrico concentrado
los polisacáridos son hidrolizados a sus constituyentes monosacáridos, a su vez
estos son deshidratados a reactivos intermediarios que en presencia de fenol,
estos forman productos amarillo-naranja estables, la intensidad del color naranja
S
O
D
VA
es proporcional a la cantidad total de carbohidratos presentes en la solución. Esta
absorbancia puede ser medida a 492 nm con un rango de linealidad de 5 –50
O
H
C
E
ER
D
R
SE
E
R
S
mg/L (Mikkelsen y Cortón, 2004).
Para la determinación de los azucares totales para cada una de las muestras se
llevo a cabo al igual que en los azucares reductores totales el volumen filtrado de
ambas muestras, que consto de 20 ml, una parte fue utilizado para esta
determinación, por el cual se llevó a cabo por el siguiente procedimiento:
1. Se tomó 1 ml de la Muestra 1 y la Muestra 2 en 2 beacker de 250 ml en los
cuales se vertió la muestra y se diluyó con agua destilada hasta alcanzar un
volumen de 100 ml.
2. Se toman alícuotas en este caso por separado para cada una de las muestras
a escala de 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 y 0.7 mililitros en volumen de solución de
muestra-agua, estos volúmenes se colocan en tubos de ensayo diferentes y
se llenan hasta alcanzar el 1 ml en volumen. Esto con el propósito de obtener
soluciones de muestra-agua a diferentes concentraciones.
3. Adicionalmente se realizó una muestra blanco, como medida estándar en el
experimento, el cual simplemente se llena con 1 ml de agua destilada.
4. Luego se vertió 1 ml de fenol al 5%, a cada tubo de ensayo incluyendo el de la
muestra en blanco, y se agita.
109
5. Posteriormente se le añadió a cada tubo de ensayo un volumen de 5 ml de
acido sulfúrico, agitándolo vigorosamente, se dejo reposar por 15 minutos
exactos y se aprecio el color.
6. Después de la adición fenol-acido produce una reacción de hidrólisis se
prosigue a enfriaron los tubos de ensayo en agua a temperatura ambiente
durante un periodo de 15 minutos, hasta que finalizó la reacción.
S
O
D
VA
R
7. Para concluir se procedió a medir cada una de las muestras en un
SE
E
R
S
espectrofotómetro Genesys 10UV a una longitud de onda de 492 mm.
O
H
C
E
ER
D
3.5.4. Fase 4. Determinación del rendimiento bruto y neto del bioetanol
Es esta fase se procedió al proceso de separación de bioetanol del liquido por
medio de la destilación simple para darnos el resultado del volumen de bioetanol
obtenido en ambas muestras e igualmente se procedió a la evaluación del
rendimiento bruto el cual consta en los análisis por medio de la cromatografía de
los gases y conversión global, para el rendimiento neto obtenido permitiendo saber
la factibilidad por medio del cálculo de la energía consumida al momento de la
destilación.
Este proceso para la determinación de ambos rendimiento de las dos muestras se
llevo a cabo por medio de la siguiente manera:
3.5.4.1. Separación del bioetanol del destilado
Para separar el licor obtenido en la fermentación, se utilizó una serie de equipos
entre los cuales se clasifican en:
110
-Tubo refrigerante.
-1 Manta de calentamiento (Electromantle EM0250/CX1-100wh)
-1 Balón aforado de 3 bocas con la capacidad de 250 ml
-1 Termómetro de 450 °C
-1 Rotador de agua
-1 Tapón de corcho
-1 Becker de 500 ml
-1 Base universal
D
-Pinza de madera
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
-Tubos de ensayo
-Mangueras
Este proceso se realizo por medio de destilación simple, y con una rotación en el
componente a destilar, separando el etanol del licor de los residuos cítricos. Esta
actividad se realizó por consiguiente:
1. Se midió con el beacker un volumen de 200 ml de la Muestra 1 posteriormente
colocada en el balón para su previa destilación.
2. Se armaron todos los equipos con sumo cuidado para no derramar la muestra
del balón de tal manera que quedara de forma lineal los instrumentos y
equilibrio para el soporte de las mangueras de agua con ayuda del soporte.
(Anexo 8).
3. Luego el proceso se inicio con periodos continuos de supervisión de la
temperatura, la cual su rango debía de estar entre 75-90 °C, al transcurrido
111
alrededor de 20 minutos se logro la obtención de bioetanol. (Anexo 9).
4. Concluyendo se realizó una prueba de encendido. (Anexo 10).
5. Este proceso se repite para la Muestra 2.
Luego de la culminación de la destilación para cada una de las muestras se
S
O
D
VA
prosiguió a determinar que tan eficaz es el proceso, este se llevo a cabo
ER
S
E
R
S
llamado desecho (Anexo 11). Para esto,
se
procedió
con la siguiente fórmula:
O
H
C
E
R
E
D
determinando cuanto bioetanol se produjo por destilado después de la
fermentación alcohólica de los residuos cítricos y el volumen que no fue destilado
D=
(Vb)
(Va)
x 100
(Ec.4.1)
Donde:
D= porcentaje de destilado (%)
Va: Volumen del jugo fermentado usado para el ensayo, expresado en (ml).
Vb: Volumen de destilado obtenido al final del proceso, expresado en (ml).
3.5.4.2. Evaluación del rendimiento bruto
Esta fase se pudo evaluar la presencia de etanol después del destilado, las
muestras fueron corridas por cromatografía de gases. De la Muestra 1 se agrego
12 ml de etanol en un tubo de ensayo y de la Muestra 2 se agrego 4 ml en otro
tubo (Anexo 12), el cual fue llevado a un laboratorio para su posterior evaluación
en el cromatógrafo de gases 7890A de Agilent. Los cuales utilizaron patrones para
ambas muestras, los resultados se pueden apreciar en el (Anexo 13).
112
Para evaluar el rendimiento del proceso, se procede a la toma de los resultados de
sus áreas obtenidos por medio de la cromatografía de gases (Anexo 14), estos se
calcularon de la siguiente manera:
Σ Áreas (pA*s) =
% Bioetanol = Área Bioetanol
Σ Áreas (pA*s)
D
x 100 =
(Ec.4.3)
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
Donde:
(Ec.4.2)
% Bioetanol: porcentaje de bioetanol obtenido por cromatografía
Σ Áreas: sumatoria de las áreas en (pA*s)
Área del bioetanol: área arrojada por la cromatografía de gases
Para saber la cantidad total de bioetanol obtenido en el proceso (Anexo 15), el
cual consta del rendimiento bruto se calculo por medio de la siguiente ecuación:
R b = Vd x % Bioetanol x 100
v/vd
Donde:
Rb: rendimiento bruto
Vd: Volumen de destilado
v/vd: volumen que se utilizo para la destilación
% Bioetanol: porcentaje de bioetanol obtenido por cromatografía
(Ec.4.4)
113
3.5.4.3. Evaluación del rendimiento neto
Para esta evaluación se procedió a la estimación de la energía consumida durante
el proceso de destilación para cada una de las muestras, con el tiempo
transcurrido en el destilado, la manta trabajo a 100 w por hora. El tiempo en la
destilación fue en un periodo redondeado a 20 minutos para cada una de las
muestras. Con este estimado de tiempo se procede a la realización de los cálculos
S
O
D
Arestado a los
ser evaluados dando como resultado un volumen el cual se leV
fue
R
SE
mililitros obtenidos en el destilado.
E
R
S
O
H
C
E
R
Para la evaluación
DdelErendimiento neto en porcentaje del los resultados obtenidos
en los cuales van incluidos la energía calorífica del etanol, su densidad para luego
de la resta de la cantidad obtenida en el destila y el volumen obtenido por la
evaluación de la energía, para darnos a conocer si es factible o no el proceso que
se realizo para cada una de las muestras (Anexo 16). Los cálculos efectuados se
fueron descriptos de la siguiente manera:
M= T
Pc
Vc =
=
(Ec.4.5)
M =
D
(Ec.4.6)
V F = Vd - Vc
R n = VF x 100
v/v
(Ec.4.7)
(Ec.4.8)
114
Donde:
T: tiempo usado transformado en Kwh
M: masa
Pc= poder calorífico
D: densidad del etanol
Vc: volumen por consumo de la energía en la obtención de bioetanol por destilado
S
O
D
Ade energía
V : volumen total obtenido de la cantidad de bioetanol y el consumo
V
R
SE
R : rendimiento neto
E
R
S
O
v/v: volumen que se utilizo para laH
destilación
C
E
R
DE
Vd: Volumen de destilado
F
n
CAPITULO IV
ANALISIS DE RESULTADOS
En esta sección se presentan y discuten los resultados del presente trabajo de
investigación, los cuales son obtenidos en cada fase para lograr llevar a cabo el
S
O
D
VA
objetivo general del mismo, evaluar el producto obtenido de la fermentación en
R
SE
E
R
S
estado sólido de las conchas de los residuos cítricos, la interpretación de dichos
resultados permite proponer posibles usos y utilidad de dicho producto que se
O
H
C
E
ER
desarrollo empleando la metodología descripta en el capitulo anterior.
D
La primera fase de la investigación corresponde a la caracterización fisicoquímica
de las conchas de los residuos cítricos antes de ser sometida a la fermentación,
para así determinar las propiedades de la misma y comparar con el producto que
se obtuvo después del proceso de fermentación. Seguidamente se continua con
la evaluación de las propiedades fisicoquímicas después del proceso fermentativo
en
estado
sólido,
desde
luego
proseguir
al
proceso
de
destilación,
proporcionándonos una serie de valores que permitierón conocer el punto final del
proceso y por último se analizaron muestras del producto obtenido de la
destilación simple por el proceso de cromatografía y así poder comparar las
muestras y los resultados con los obtenidos al inicio y poder proponer otros usos
de dicho producto. Los resultados se encuentran expuestos en tablas y gráficos
para facilitar la interpretación y análisis de los mismos.
4.1. Caracterizar físico-químicamente el extracto de los residuos cítricos
Para la caracterización físico-química del extracto de los residuos cítricos nos
dirigimos en primer lugar a la selección de la cantidad a usar de las frutas como la
116
naranja, piña, parchita y limón seleccionadas por disponibilidad en la zona e
igualmente se realizaron análisis correspondientes a pH, y los ºBrix por medio del
jugo disponible en cada cascara. Para estos experimentos se tomo una muestra
representativa por cada una de las conchas de las frutas elegidas, con la finalidad
de comprobar los resultados. Los análisis y resultados se divulgan a continuación:
4.1.1. Residuos cítricos
R
SE
E
R
S
O
C2
H140(kg)
C
E
ER
S
O
D
VA
Tabla 4.1. Tipos de residuos cítricos y cantidad.
Residuo cítrico
Naranja
Piña
Fresa
Mandarina
Limón
Parchita
D
C1 (kg)
125
60
5
110
10
31
20
21
37
23
C3 (kg)
95
59
15
130
40
C4 (kg)
34
68
3
86
70
C5 (kg)
181
109.5
1
106.5
20
Estos tipos de residuos encontrados por mayor disponibilidad fueron elegidos para
este estudio entre los cuales están la piña, parchita, limón y naranja, la mandarina
tiene mucha escases y la fresa su mayor proporción es pulpa, la realización de
este estudio es trabajar con cascaras de estos residuos por lo tanto fue
descartada. En la Tabla 4.2 indica la distribución por separado de las cantidades
de los residuos elegidos con los que trabajamos.
Tabla 4.2. Selección y cantidad de los residuos cítricos.
Tipos de residuos
cítricos
Naranja
Limón
Parchita
Piña
Kg
115
93.9
33.0
63.9
117
De estas cantidades obtenidas se dividieron las cascaras en pequeñas
proporciones de los residuos para ser juntados dentro del erlenmeyer, cantidades
mínimas para cada una de las muestras según la disponibilidad encontrada, esta
se acota en los resultados siguientes:
Para ambas muestras, seleccionamos 1220 gr de acuerdo a la división de
S
O
D
VA
disponibilidad y el límite permitido por el erlenmeyer de 2000 ml, la cantidad de
ER
S
E
R
0.376%, limón 0.307%, piña 0.209%, S
parchita
0.108% de cada una de las
O
H
cascaras.
C
E
DER
cascaras de las frutas distribuida para ambas muestras fue de; naranja 458 gr,
limón 375 gr, piña 255 gr, parchita 132 gr que en porcentaje equivalen a la naranja
Cabe mencionar que las cantidades o porcentajes de cada cascara de las frutas
fueron seleccionados y calculados de acuerdo a los kilogramos obtenidos en los
sitios donde se nos facilito los residuos.
4.1.2. Características de los residuos cítricos
Los resultados obtenidos en esta caracterización para los pH y los grados brix
están en una escala correcta según diferentes trabajos, artículos y revista por
ejemplo Botanical, estos resultados son plasmados en la siguiente tabla:
Tabla 4.3. Caracterización fisicoquímica del extraído de la concha de los residuos
cítricos.
Tipos de desecho
Naranja
Limón
Parchita
Piña
pH
4.4
2.3
3.15
4.01
o
Brix
9.8
7.1
10.6
12.0
118
En esta tabla se expone los resultados obtenidos por la caracterización
fisicoquímica del extracto de los residuos cítricos antes de ser sometidos al
experimento, se observa el porcentaje en cuanto a pH, y ºBrix los cuales son
adecuados para que se desarrolle el proceso de fermentación alcohólica, debido a
que el pH más favorable para el crecimiento de la levadura Saccharomyces
Cerevisiae se encuentra en un rango de 4.0 - 5.0, y esto consta de una buena
temperatura ambiente, para su buena evolución en el proceso, e igualmente los
S
O
D
A de la
se refiere a estas frutas, siendo equivalentes y favorables para V
la realización
R
SE
fermentación.
E
R
S
O
H
C
E
R
Exponiendo la gran
DEinfluencia del pH siendo óptimo para la proliferación de las
valores obtenidos de los ºBrix se encuentran dentro un rango adaptados en lo que
bacterias al momento de la fermentación se debe situar entre 4.2 y 4.5 muy por
encima del pH de los residuos a utilizar, tomando en cuenta que el límite absoluto
es aproximado, en 2.9, valor por debajo del cual, la fermentación bacteriana no es
posible. Para las frutas utilizadas como la naranja, parchita y piña están en el
rango estimado a diferencia del pH del limón ya que está muy bajo del límite
aproximado pero lo tomamos como riesgo en este proceso debido a que se
encuentra en el segundo lugar de disponibilidad.
4.2. Realizar la fermentación alcohólica de los residuos cítricos
Los resultados que se obtuvieron después de la fermentación alcohólica en estado
sólido de las conchas de los residuos cítricos, el cual se desarrollo durante un
lapso de 144 horas equivalentes a 6 días avilés, y los parámetros evaluados
corresponden en; pH, azucares totales y reductores, los cuales son presentados
de manera explícita y explicativa en la caracterización físico-química de los
mismos.
119
La evaluación de los resultados se llevo a cabo en una secuencia de los grados
brix dando como resultado:
Tabla 4.4. Seguimiento de los ºBrix en el proceso de fermentación
Día
0
1
2
3
4
5
6
Muestra 1
9.35
8.49
7.63
6.9
5.9
5.9
5.9
D
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
Muestra 2
9.86
8.1
7.38
6.1
5.5
5.0
5.0
El consumo de sustratos a medida que transcurre el tiempo se debe al consumo
de los azucares fermentables por parte de la levadura. Es de importancia destacar
que los ºBrix se mantienen constantes a partir del cuarto día para la Muestra 1 y
para la Muestra 2 a partir del quinto día, deteniendo el proceso el día 6 con el valor
constante del día anterior, esto se debe a la finalización de los inhibidores por
parte de las levaduras y bacterias o también pudo haber influenciado la
temperatura, y otros factores que acaban muriendo, lentificando y deteniendo la
fermentación.
Es muy difícil decir cuál es el límite exacto, sin embargo, es posible indicar una
dependencia de la aireación, debido a que el proceso fue anaerobio ya que los
microorganismos no necesitaban del oxigeno para su supervivencia, e igualmente
pudo influir que la población celular presente no se mantiene por sí misma y
comienza a morir; esto puede suceder antes de la fase de muerte de la
fermentación, también actúa la riqueza del mosto, los factores nutritivos de las
levaduras y la naturaleza de las mismas.
Comparando con la investigación realizada por Sansen y Vargas (2008), los
resultados fueron aceptables a pesar de la diferenciación de los grados brix debido
120
a que estos autores trabajaron con la pulpa del mango que por su naturaleza
posee un alto contenido de azúcar y por parte de este estudio se trabajo con
residuos cítricos de frutas con alto contenido de acidez, por lo tanto se observa
que la acidez es más alta en comparación al estudio de la pulpa del mango
influyendo el azúcar en el proceso de la fermentación, en cambio el estudio de
Fernández y Gómez (2011), los grados brix tienen similitud debido que trabajaron
con una fruta cítrica y sin embargo vario en el transcurso de los días del proceso
S
O
D
A desde el
embargos estos estudios en la fermentación empezaron ser constantes
V
R
SE eficiente.
día 4, esto comprueba que el proceso evoluciono
de
manera
E
R
S
O
H
C
E
R
E
D
4.3. Caracterización físico-química del licor
de fermentación debido a que manejamos diferentes tipos de cascaras y sin
Una vez finalizada la fermentación se realizó la caracterización físico-química de
cada una de las mezclas. Se habla de mezcla debido que en el proceso de
fermentación se producen diversos compuestos (además de etanol y agua). En la
Tabla 4.4 se muestran los porcentajes correspondientes a pH, azucares
reductores y totales obtenidos en el proceso de fermentación alcohólica para la
Muestra 1 y Muestra 2. Estos corresponden al día 6 de fermentación.
Tabla 4.5. Caracterización fisicoquímica del licor obtenido a partir de la
fermentación.
Muestra 1
Día 6
Muestra 2
pH
Azucares
reductores
Azucares
Totales
1.546
25.1% p/p
41.2 % p/p
Día 6
pH
Azucares
reductores
Azucares
totales
3.568
20.0 % p/p
38.7% p/p
Con respecto al pH se pueden observar que existen fluctuaciones, para la Muestra
2 se muestra que el pH es aceptable ya que se encuentra en el rango estimado
121
por la literatura y para la Muestra 2 este disminuye significativamente,
consecuente al uso del ácido sulfúrico debido a que es un acido fuerte que
consigue bajar los pH de manera importante sin que haya un incremento de la
acidez total produciendo una ionización.
Con respecto a los azucares reductores y totales para la Muestra 2 los resultados
S
O
D
VA
se encuentran dentro del rango de la literatura y para la Muestra 1 se observa que
ER
S
E
hidrolizarían para la celulosa se transforma
enR
glucosa y la hemicelulosa produce
S
O
Hactuando sobre estos azucares.
pentosas, xilosas y riborosas,
estos
C
E
DER
existe un aumento debido a la adición del acido sulfúrico el cual acelera el proceso
de digestión, esta deshidratación produce dos polímeros que al momento de
La acción de los microorganismos segregados por la levadura convierte los
azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y dióxido de
carbono. En detalle, la pequeña cantidad de almidón se descompone en azúcares
complejos, luego en azúcares simples y finalmente en alcohol.
Generalmente, la fermentación produce la descomposición de sustancias
orgánicas complejas en otras simples, gracias a una acción catalizada. La química
de la fermentación es la derivación del dióxido de carbono y luego es convertido
en almidones y sus derivados. Durante la absorción estos cuerpos son convertidos
en glucosas y fructosas (azucares). Durante el proceso de fermentación, los
azucares se transforman en alcohol etílico y dióxido de carbono.
Comparando con la investigación realizada por Sansen y Vargas (2008); podemos
considerar que el resultado que se consiguió en los azucares es menor debido a la
acidez de los residuos utilizados, a diferencia de la pulpa del mango que es una
fruta dulce y más que todo el área de la pulpa. Referente al pH y los oBrix la acidez
influye por otros autores describen que está en un rango estimado. Y en
122
comparación con el trabajo de Fernández y Gómez (2011), los valores de los
azucares reductores y totales a pesar que se encuentran por debajo de los
resultados de la bibliografía consultada, los resultados arrojados se consideran
aceptables.
4.4. Determinar el rendimiento bruto y neto del bioetanol.
S
O
D
A
Los análisis y resultados de estas evaluaciones se representan a
continuación:
V
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
R
4.4.1. Separación del
DEbioetanol del destilado
El método de destilación fue simple y en este se utilizó un volumen de 200 ml para
ambas muestras, los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 4.6.
Tabla 4.6. Cantidad de destilado
Muestra
1
2
Cantidad de bioetanol (ml)
20
6
Considerando los resultados obtenidos podemos afirmar que a partir de 200 ml, de
cada muestra obtuvimos volúmenes de; 20 ml de destilado para la Muestra 1, y 6
ml de destilado para la Muestra 2. Puede apreciarse que los valores obtenidos
para esta investigación fueron un poco diferentes en volumen, pudo haber
afectado al momento de destilar, la influencia del acido sulfúrico ya que acelera el
proceso de fermentación siendo recomendable utilizar otros métodos de
destilación para comparar.
123
Los resultados obtenidos por Sansen y Vargas (2008), fueron en promedio 26.7 ml
y Fernández y Gómez (2011), obtuvieron en promedio 28.67 ml, ambos estudios
utilizando para el destilado 500 ml. En comparación con el valor promedio de esta
investigación y tomando en cuenta que solo se utilizaron 200 ml para este trabajo,
se puede observar que el volumen de etanol obtenido se encuentra levemente
aceptable a los valor registrado para las investigaciones anteriores.
Tabla 4.7. % de destilado
Muestra
1
2
O
H
C
E
ER
D
R
SE
E
R
S
% de destilado
10
3
S
O
D
VA
Valor en conversión de destilado se encuentran en un rango aceptable, para este
estudio.
4.4.2. Evaluación del rendimiento bruto
Se llevo a cabo el análisis por cromatografía de gases del producto final, para
evaluar las cantidades de etanol contenidas en el licor de los residuos cítricos. En
la Tabla 4.8 se pueden apreciar los valores corridos por la cromatografía indicando
las áreas para cada una de las muestras.
Tabla 4.8. Concentración de bioetanol por cromatografía.
Muestra
1
2
Área del bioetanol (pA*s)
4.69*105
3.51*105
Área total (pA*s)
469047.26
351035.88
Obteniendo resultados de gran pureza, de igual forma se dan a conocer los
resultados de cada una de las muestras en porcentajes obtenido luego de la
124
destilación se aprecian a continuación en la Tabla 4.9 se presentan el porcentaje
de bioetanol en el destilado.
Tabla 4.9. Resultados de la pureza del bioetanol por cromatografía
Muestra
1
2
% de bioetanol en el
destilado
99.98
99.98
S
O
D
VA
ER
S
E
R
en su mayor volumen de cantidad de bioetanol,
exponiendo de su evaluación de
S
O
Hse aprecia en la tabla 4.10.
rendimiento bruto estos resultados
C
E
DER
La pureza en cada una de las muestras fue eficiente lo cual indica que se obtuvo
Tabla 4.10. Resultados en la determinación del rendimiento bruto
Muestra
1
2
Rendimiento bruto (%)
10
3
Puede observarse que para esta fase del proceso no se encontraron referencias
previas, basadas en el rendimiento del proceso de destilación; sin embargo es
importante destacar que todo el volumen destilado es bioetanol, para ambas
muestras. Concluyendo se puede confirmar que el proceso realizado en este
trabajo fue bueno.
4.4.3. Evaluación del rendimiento neto
Esta evaluación se llevo a cabo para saber si el etanol obtenido después de la
destilación es factible, lo cual indica el consumo de energía utilizada en la manta
en su proceso de destilación, estos valores son expuestos en la siguiente tabla:
125
Tabla 4.11. Cantidades en volumen evaluadas por la energía
Muestra
1
2
Tiempo de
calentamiento
20 min
20 min
Capacidad de
la manta
100 wh
100 wh
Energía calorífica
del etanol
8.09 kWh/kg
8.09 kWh/kg
Densidad
del etanol
798 kg/m3
798 kg/m3
Tabla 4.12. Cantidades evaluadas por la energía
Muestra
1
2
Bioetanol requerido por
calentamiento (ml)
5.12
5.12
Volumen final (ml)
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
14.88
0.88
HO
C
E
cantidad destilada yE
el R
volumen requerido por el calentamiento, cabe destacar que
D
solo se utilizaron 200 ml de cada muestra y se utilizo 20 minutos en la manta para
Los valores obtenidos en la cantidad de volumen total, indican que es viable la
la destilación, son muy pocas las cantidad obtenidas por lo cual surgiere la idea de
un estudio de factibilidad más enfocado de manera global.
Tabla 4.13. Resultados en la determinación del rendimiento neto
Muestra
1
2
Rendimiento neto (%)
7.44
0.44
En la Tabla 4.12 se indica el rendimiento neto o total del bioetanol obtenido en
pequeñas cantidades debido al volumen utilizado pero así no influyo en la cantidad
y pureza de esta obtención.
Estas series de pruebas nos permitió la comprobación tanto para en el rendimiento
bruto y el rendimiento neto que la cantidad de la muestra que se obtuvo de cada
una por parte del destilado fue completamente bioetanol con alto grado de pureza,
estos resultados indican que el proceso fue eficiente en su elaboración para esta
producción de alcohol etílico o bioetanol.
CONCLUSIONES
Las frutas más comunes y utilizadas son la naranja, limón, parchita y piña. El pH y
grados brix de los diferentes residuos cumplen con los parámetros necesarios
para el proceso de fermentación, con excepción de los residuos de limón que tiene
un pH menor al recomendado.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
quinto día, esto se observó al momento
en que los ºBrix se mantuvieron
S
O
H
C
constantes.
E
R
DE
El proceso de fermentación alcohólica culminó aproximadamente entre el cuarto y
Durante la caracterización físico-química del licor, el porcentaje en peso de los
azucares reductores y totales en comparación con otra investigación son buenos.
Referente a los pH varían para ambas muestras
La cantidad de alcohol obtenido al momento de la destilación para la Muestra 1 es
de 20mL, y para la Muestra 2 es de 6ml. Al realizar los análisis por cromatografía
se obtuvo que para ambas muestras el nivel de pureza fue de 99.98% lo que
indica que fue completamente bioetanol, dando como resultado un rendimiento
bruto de 10% para la Muestra 1 y 3% para la Muestra 2 y el rendimiento neto se
obtuvo un 7.44% y 0.44%.
RECOMENDACIONES
Evaluar diferentes tipos de levaduras para determinar cuál es la más eficiente a
ser utilizado en la producción de etanol en residuos cítricos.
S
O
D
VA
Realizar estudios utilizando acido clorhídrico u otros tipos de ácidos en sustitución
R
SE
E
R
S
del H2SO 4 variando la concentración de los mismos.
HO
C
E
licor, humedad, cenizas
DERy contaje de células para cada muestra.
Determinar otras propiedades fisicoquímicas importantes como lo son: grado de
Evaluar la posibilidad de utilizar los residuos finales para la producción de abono
orgánico.
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ANEXOS
Anexo 1. pH metro (Metrohm pH meter 780)
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Anexo 2. Peso por el recipiente en pequeñas cantidades
138
Anexo 3. Medición del agua destilada para luego ser colocada dentro de cada
matraz.
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Anexo 4. Peso de la levadura y posterior la sacarosa.
139
Anexo 5. Regla de tres (3) para calcular los mililitros de acido sulfúrico al 68% de
concentración para la Muestra 1.
100 gr. ______ 30 ml H2SO 4
1220 gr. ______ X= 366 ml H 2SO4
366 ml H 2SO4 ________ 68 %
X ____________ 5 %
X= 26.91  27 ml H2SO4
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R al 68% en concentración.
X= cantidad de acido
DEsulfúrico
Donde:
S
O
D
VA
Anexo 6. Adición de levadura y sacarosa para la Muestra 1 con acido y sin acido
para la Muestra 2.
140
Anexo 7. Progresó de la fermentación.
O
H
C
E
ER
D
SE
E
R
S
R
Anexo 8. Montaje de los equipos.
S
O
D
VA
141
Anexo 9. Destilación y producto
O
H
C
E
ER
D
SE
E
R
S
R
Anexo 10. Prueba de encendido.
S
O
D
VA
142
Anexo 11. Porcentaje de destilado.
Muestra 1
(Vb)
(Va)
D=
x 100
20 ml
200 ml
D=
Muestra 2
x 100 = 10 %
Dx 100
D=
(Vb)
(Va)
D=
6 ml
200 ml
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
x 100 = 3 %
Anexo 12. Volumen de destilado en tubos de ensayo para ser llevado a la
evaluación por cromatografía de gases.
143
Anexo 13. Resultados de los patrones por cromatografía para ambas muestras.
Muestra 1
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
144
Muestra 2
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
145
Anexo 14. Resultados de áreas por cromatografía.
Muestra 1
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
146
Muestra 2
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
147
Calculo para las Muestras según los valores obtenidos en el análisis por
cromatografía
Muestra 1
Σ Áreas (pA*s)  24.98 + 4.69*105 + 22.28 = 469047.26 pA*s
% Bioetanol = Área Bioetanol x 100 
Σ Áreas (pA*s)
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
Muestra 2
D
S
O
D
VA
4.69*105 pA*s x 100 = 99.989 %
469047.26 pA*s
Σ Áreas (pA*s)  12.34 + 3.51*105 + 23.54 = 351035.88 pA*s
% Bioetanol = Área Bioetanol x 100 
Σ Áreas (pA*s)
3.51*105 pA*s x 100 = 99.989 %
351035.88 pA*s
Anexo 15. Rendimiento bruto.
Muestra 1
Rb = Vd x % Bioetanol x 100 
v/vd
20 ml x 0.9998 x 100 = 9.998 %
200 ml
 10 %
Muestra 2
Rb = Vd x % Bioetanol x 100 
v/vd
6 ml x 0.9998 x 100 = 2.999 %
200 ml
 3%
148
Anexo 16. Rendimiento neto.
100 W ______ 60 min
X ______ 20 min
X= 33.33 w/min
33.33 = 0.0333 kWh
1000
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
D
S
O
D
VA
 T= 0.0333 kWh
Pc= poder calorífico superior + poder calorífico inferior
2
149
Pc= 8.49 kWh/kg + 7.69 kWh/kg = 8.09 kWh/kg
2
D
D: 0.789 g/cm3
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
 789 kg/ m3
M=
T =
Pc

0.0333 kWh = 4.12x10-3 kg
8.09 kWh/kg
Vc =
M =
D

4.12x10-3 kg = 5.12x10-6 m3
789 kg/ m3
Muestra 1
VF = Vd - Vc =
R

20 ml - 5.12 ml = 14.88 ml
S
O
D
VA
 = 5.12 ml
150
 14.88 ml x 100 = 7.44 %
200 ml
Rn = V F x 100=
v/v
Muestra 2

VF = Vd - Vc =
6 ml - 5.12 ml = 0.88 ml
 0.88 ml x 100 = 0.44 %
200 ml
Rn = V F x 100=
v/v
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA