(1650) Maximización de Rendimientos en la Obtención de Bioetanol

Maximización de Rendimientos en la Obtención de Bioetanol a partir
De Maíz
J. E. Marignac, C.E. Díaz Yanevich, D. O: Brachna, E. Hryczyñski, W. G. López
Ciencias Básicas y Aplicadas – Universidad Nacional del Chaco Austral, Cdte. Fernández
755, C.P. 3700. P. R. Sáenz Peña, Chaco.
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Resumen
La producción de bioetanol ha tenido un crecimiento importante en los últimos años y
presenta buenas proyecciones a futuro. El maíz, como materia prima para la generación de
biocombustibles, posee la capacidad de convertirse en la principal fuente de conversión,
debido a su disponibilidad, como así también al elevado rendimiento que este presenta
frente a otros cultivos. Es por ello que el presente trabajo pretende contribuir al desarrollo
de biocombustibles evaluando la conversión de variedades de maíces cultivados en la
región centro de la provincia del Chaco a bioetanol, mediante el manejo de parámetros
específicos que contribuyen a la optimización de su rendimiento. Dentro de los parámetros
que se consideraron se encuentran la concentración de enzimas y levaduras. El proceso
consistió, inicialmente, con la preparación de la muestra, lo cual implica molienda y
tamizado, tomando una porción representativa de la misma para establecer el contenido de
almidón presente en el grano de maíz. Luego se efectuaron ensayos con diferentes
concentraciones de enzimas (obtenidas a partir de cebada malteada), y material biológico,
levaduras, analizando rendimientos en la conversión de los granos de maíz a bioetanol,
mediante la selección de parámetros enfocados a la optimización del proceso para cada una
de las muestras de maíz analizadas, realizando un examen comparativo. Del análisis de los
datos se concluye que la variedad P30B39 presento un mayor porcentaje en el contenido de
almidón. A si mismo dicha variedad exhibió un mayor rendimiento en bioetanol.
Palabras claves: almidón– hidrolisis- fermentación- enzimas.
Introducción
En la actualidad hablar de energía y no hablar de biocombustibles es casi imperdonable. El
creciente interés por el desarrollo de combustibles renovables encuentra su origen en dos
preocupaciones: el calentamiento global y el desabastecimiento de petróleo. El
calentamiento global es uno de los temas ambientales en discusión más importantes
actualmente, debido a una serie de fenómenos que generan y se manifiestan a nivel global.
Esto conlleva a la búsqueda y producción de combustibles proveniente de fuentes
renovables que sean viables económicamente y menos contaminantes que los de origen
fósil. Para solucionar este grave problema, una de las herramientas más aceptadas social y
científicamente es la sustitución de los combustibles fósiles por energías alternativas y
concretamente, hoy en día la más viable, la producción de bioetanol. Es por ello que el
presente trabajo pretende contribuir al desarrollo de biocombustibles evaluando la
conversión de variedades de maíces cultivados en la región centro de la provincia del
Chaco a bioetanol, mediante el manejo de parámetros específicos que contribuyen a la
optimización de su rendimiento. El proceso llevado a cabo para ello se describe en detalle a
lo largo del trabajo.
Marco Teórico
Bioetanol
Los alcoholes son compuestos orgánicos de formula R-OH, donde R es cualquier grupo
alquilo y –OH el grupo “hidroxilo”. El alcohol etílico o etanol, de fórmula C2H5OH, es un
líquido volátil, móvil, transparente e incoloro, de aroma agradable y característico. Este
compuesto orgánico puede utilizarse como combustible en automóviles sin establecer
mezclas o mezclado con naftas en cantidades variables. El bioetanol, destinado como fuente
de energía, se produce a través de la fermentación de los carbohidratos (Glúcidos)
contenidos en la materia orgánica de las plantas, estructuralmente presentes en forma de
sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. A través de este proceso se obtiene el alcohol
hidratado, con un contenido aproximado del 5 % de agua, que tras ser deshidratado se
puede utilizar como combustible.
Hidrolisis
Fermentación
Almidón
Glucosa
Etanol
Mediante la fermentación directa de productos azucarados:
Enzimas
C6H12O6
2CH3CH2OH (l) + 2CO2
El bioetanol puro o mezclado con componentes derivados del petróleo constituye un
biocombustible de alto poder energético con características muy similares a los
combustibles de origen fósil pero con una importante reducción de las emisiones
contaminantes en los motores tradicionales de combustión.
Maíz
El maíz, como materia prima para la generación de biocombustibles, posee la capacidad de
convertirse en la principal fuente de conversión, debido a su disponibilidad, amplia
capacidad de adaptación, como así también al elevado rendimiento que este presenta
actualmente frente a otros cultivos, sumado a esto, el futuro desarrollo de nuevas
variedades genéticamente modificadas orientadas a la producción de energía.
El grano de maíz tiene 3 componentes principales almidón, proteína y aceite, los cuales
están contenidos en tres estructuras: el germen (embrión), el endospermo y el pericarpio.
Teniendo presente su composición estructural, el almidón es el principal componente del
grano de maíz y por lo tanto influye en la funcionalidad que este presenta en los diferentes
procesos industriales donde se lo utiliza. El almidón del maíz está formado por dos tipos de
moléculas, la amilosa y la amilopectina, ambos son polímeros de unidades α – D – (+)
glucosa. Estas se encuentran en proporciones diferentes de acuerdo a las diferentes especies
de maíz, como así también, el porcentaje de almidón presente en el grano. Estas diferencias
de especie hacen que el rendimiento en la obtención de bioetanol también varíe por lo cual
es de suma importancia conocer las especies que presenten un mayor rendimiento en la
conversión de almidón a bioetanol.
Materiales y Métodos
Para el análisis del proceso de obtención de bioetanol se llevaron a cabo las siguientes
actividades:

Molienda: Se molieron muestra de diferentes maíces aportados por la Estación
experimental INTA Saenz Peña (E.E.A) y la empresa Agrolatina S.R.L.,
recolectados en campos de la zona centro de la Provincia del Chaco. Proceso
efectuado con molinillo a cuchillas.

Tamizado: en un tamiz de 2 mm para obtener una muestra de tamaño uniforme.

Determinación del porcentaje de almidón en la muestra: se realizó la
determinación mediante el método de Bertrand. En él cual se utilizó la técnica
920.44 para la hidrólisis ácida del almidón y la 906.03 para la precipitación y
cuantificación del óxido de cobre (AOAC, 1988)

Hidrolisis del almidón: se realizó la hidrolisis del almidón de los granos de maíz,
para convertirlo en glucosa, mediante un método de hidrolisis enzimática utilizando
las enzimas alfa y beta amilasa presentes en la cebada malteada. Para lo cual se
prepara una suspensión de maíz molido en agua y se ensaya la hidrólisis con
diferentes cantidades de cebada para determinar la concentración de enzima más
eficiente.

Fermentación: el almidón hidrolizado con las enzimas de la cebada, se fermenta
utilizando levadura comercial en condiciones anaerobias para obtener etanol. Se
ensaya con diferentes concentraciones de levadura para obtener la de mayor
eficiencia en la fermentación.

Destilación: se efectuó la separación del etanol mediante un equipo de destilación
fraccionada

Determinación de la concentración de etanol: se realizó midiendo grados Brix de
diferentes soluciones de alcohol obtenidas mediante un refractómetro de ABBE.
Discusiones
Los resultados obtenidos se muestran en las siguientes tablas y gráficos.
Tabla Nº 1. Contenido de almidón por especie.
Especie de
Peso de Muestra (g)
Almidón (%)
DKB299
5,00
63
474V13
5,02
72
B67049
5,00
68
SY138
5,05
70
INTA2012
4,98
66
P30B39
5,00
81
DM1820
5,00
73
maíz
Fuente: Elaboración propia
De los valores observados en la Tabla Nº 1 se puede establecer que contenidos de almidón
de las especies difieren en valores cercanos al 70 %. Estos datos fueron utilizados
posteriormente para determinar los rendimientos de los procesos de hidrolisis y
fermentación.
Luego de moler la muestra se continuó con el proceso de hidrolisis enzimática del almidón.
Se utilizó como fuente de enzima los granos molidos de cebada malteada. Para determinar
la relación optima entre gramos de maíz y gramos de cebada se realizaron ensayos con 30
gramos de muestra de maíz de cada una de las especies y se hidrolizaron con diferentes
cantidades de cebada. Una vez que se completó la hidrolisis se determinó la cantidad de
azúcar producida a partir de la conversión de almidón en glucosa y conociendo el
porcentaje de almidón se pudo calcular el rendimiento teórico de la hidrolisis para cada
ensayo. Los datos recogidos se encuentran en la Tabla Nº 2. Y en la Figura Nº 1 se puede
apreciar la variación por especie de los rendimientos de la hidrolisis de acuerdo a los
gramos de cebada utilizada.
Tabla Nº 2. Rendimiento de hidrolisis por gramo de cebada utilizada
Especie
Gramos de cebada
10 gr
15 gr
20 gr
25 gr
30 gr
DKB299
54,00 %
58,00 %
60,60 %
56,00 %
50,10 %
474V13
55,00 %
58,00 %
53,00 %
54,00 %
52,00 %
B67049
51,00 %
55,00 %
52,00 %
52,00 %
49,00 %
SY138
54,00 %
57,00 %
54,00 %
52,00 %
50,00 %
INTA2012
54,00 %
57,00 %
54,00 %
52,00 %
50,00 %
P30B39
58,00 %
65,00 %
59,00 %
58,00 %
55,00 %
DM1820
57,00 %
65,00 %
63,00 %
56,00 %
52,00 %
Fuente: Elaboración propia
Figura Nº 1. Rendimiento de hidrolisis por gramo de cebada para cada especie
Rendimiento de hidrólisis por Especie
70,00%
60,00%
50,00%
10
40,00%
15
30,00%
20
25
20,00%
30
10,00%
0,00%
DKB299 474V13 B67049
SY138 INTA2012 P30B39 DM1820
Fuente: Elaboración propia
Otro punto importante era conocer la concentración óptima que maximice los rendimientos
de la fermentación. Por lo tanto se realizó la fermentación del almidón hidrolizado en los
pasos anteriores para poder determinar la concentración de levadura óptima comparando
los rendimientos en etanol obtenidos. Los resultados se observan en la Tabla Nº 3 y en la
Figura Nº 2.
Tabla Nº 3. Rendimientos de la fermentación en relación con la cantidad de levadura
utilizada
Concentración de
levadura
% Brix
Índice de
% V/V
% p/v
% p/v
Refracción
(20ºC)
[g/100 ml]
[g/l]
0,008 gr/ml
0,1
1,33
0,16
0,11
1,13
0,016 gr/ml
0,6
1,33
1,79
1,42
14,24
0,024 gr/ml
1,6
1,34
4,65
3,72
37,23
0,032 gr/ml
2,4
1,34
6,88
5,52
55,22
0,04 gr/ml
2,5
1,34
7,16
5,75
57,47
0,048 gr/ml
2,5
1,34
7,16
5,75
57,68
0,056 gr/ml
2,3
1,34
6,59
5,29
52,9
0,08 gr/ml
2,5
1,34
7,16
5,75
57,47
Fuente: Elaboración propia
Figura Nº 2. Concentración de etanol vs levadura utilizada
Gráfica de dispersión de concentración de vs. Gramos de levadu
concentración de alcohol obteni
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
Gramos de levadura
Fuente: Elaboración propia
12
14
16
Una vez que se determinó la concentración de cebada y de levadura a utilizar se procedió a realizar
el proceso completo de obtención de etanol para cada muestra de maíz. Obteniéndose los valores de
la Tabla Nº 4. En los cuales se puede apreciar la concentración en g/l que se obtuvo para cada
especie ensayada.
Tabla Nº 4. Concentración de etanol obtenida por especie de maíz
Concentración
Concentración
Rendimiento
de etanol (g/l)
teórica
(%)
2,5
10,775709
20,5333333
52
474V13
2,55
12,0158092
23,4666667
51
B67049
2,43
13,2559095
22,162963
59
SY138
2,48
14,3409972
22,8148148
62
INTA2012
2,5
15,5810974
21,5111111
59
P30B39
3
16,8211976
26,4
63
DM1820
2,9
16,0612978
23,7925926
63
Especie
° Brix
DKB299
Conclusión
Con base a los resultados presentados se puede inferir que el maíz es una excelente materia prima
para la producción de bioetanol y presenta la posibilidad de convertirse en una alternativa mas para
el desarrollo de los biocombustibles. Como se menciona a lo largo del reporte, se obtuvo etanol a
partir de maíz evaluando los diferentes parámetros involucrados y realizando una puesta a punto en
las etapas de hidrolisis y fermentación donde se pudo determinar los siguientes puntos.

La relación entre la cantidad de cebada utilizada y la cantidad de maíz con la cual se obtiene
mayor rendimiento es de 1 a 2. Es decir es necesario agregar la mitad de cebada que de
maíz para obtener los mejores rendimientos en la hidrolisis.

La concentración óptima de levadura a utilizar es de 0,04 gr/l. Con dicha concentración se
obtuvieron los mejores rendimientos de conversión.
De análisis, determinaciones y evaluaciones efectuadas, podemos indicar, que la especie P30B39
fue la que presento mejor rendimiento en la obtención de etanol. A si mismo esta especie fue
también la que exhibió mayor porcentaje de concentración de almidón. Por lo tanto se puede
reconocer una relación entre estos resultados.
Bibliografía
 http://es.wikipedia.org/wiki/Almidón
 Bioquímica de los Alimentos Miguel Calvo
http://milksci.unizar.es/bioquimica/temas/azucares/almidon.html
 http://es.wikipedia.org/wiki/Fermentación_alcoholica
 AOAC Official Methods of Analysis, edition 1988
 AOAC Official Methods of Analysis, edition 1990
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Production of butanol from corn stover using Clostridium beijerinckii P260 Original
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Volume 154, February 2014, Pages 222-228
 Research Approaches to Sustainable Biomass Systems, 2014, Pages 243-258
 Haruki Ishizaki, Keiji Hasumi
 Universidad Iberoamericana, Proyecto Final de Producción de Etanol, Mexico,2008
 Vergagni, G. A; La Industria del Etanol a partir de maíz ¿Es factible su desarrollo en la
Argentina?,