2 hidrólisis acida de buffel y fermentación...
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2-1
2 Hidrólisis acida de buffel y fermentación subsecuente
La celulosa proveniente del buffel no puede ser fermentada directamente,
para lograrlo es necesario degradarla en azúcares más sencillos para su
conversión en alcohol. La hidrólisis es un proceso químico que divide la celulosa
por la acción de la molécula de agua. Las complejas estructuras de las plantas
(celulosa, hemicelulosa y lignina) son hidrolizadas en diferentes procesos para
conseguir una solución azucarada, y eliminar productos de descomposición de
los azúcares que pueden inhibir o, al menos, dificultar el proceso de
fermentación [15]. En este capítulo se detallan estas metodologías, así como
también se describe el proceso de destilación y se discuten los resultados
obtenidos.
2.1 Metodología
La metodología seguida para llevar a cabo el presente proyecto de tesis
se presenta a continuación y se describe detalladamente según fueron
ocurriendo las etapas del proceso. El orden fue reducción de tamaño del buffel,
hidrólisis acida, fermentación y destilación. Dentro de esta sección también se
encuentran descritos los experimentos preliminares.
2.1.1 Materiales
Los materiales utilizados en el proceso de obtención de etanol fueron:
o Zacate buffel seco (Cenchrus ciliaris)
o Acido sulfúrico (H2SO4), marca REPROQUIFIN
2-2
o Levadura (Saccharomyces cerevisiae), marca nevada
o Urea (CO(NH2)2), marca Fermont
o Fosfato de potasio dibásico (K2HPO4), marca Productos Químicos
Monterrey
o Hidróxido de sodio (NaOH), marca REPROQUIFIN
o Elementos traza
o FeCl2·4H2O
o MnCl2
o EDTA (Acido etileno diamino tetracético)
o Na2SeO3
o H3BO3
o ZnCl2
o (NH4)6Mo7O24·4H2O
o AlCl3
o NiCl3·6H2O
o CoCl2·2H2O
o CuCl2·2H2O
o HCl concentrado
o Agua destilada
o Agua potable
2.1.2 Reducción de Tamaño
Dado que el zacate buffel puede llegar a medir 150 cm de alto, fue
necesario aplicar diferentes técnicas y equipos para reducir su tamaño. Este
proceso consto de tres etapas previas para llegar al tamaño de partícula
deseado como se puede apreciar en la Figura 2-1, en la imagen (a) se muestra
el zacate buffel recién cortado del pastizal (Ejido La Mora Banamichi, Sonora)
con machete, en la imagen (b) se observa la primera reducción de tamaño
2-3
llevada a cabo en la desintegradora de granos y forrajes, cortando el buffel en
trozos de 5-7 cm de largo aproximadamente cumpliendo con los requerimientos
necesarios para pasar a la siguiente etapa de molienda, por ultimo en las
imágenes (c) y (d) se encuentra el zacate buffel pulverizado una vez que este
sale del molino Pulvex 200, con el cual se redujo el buffel hasta obtener un polvo
muy fino, con diámetros de partícula entre los 0.131 y 0.180 mm de diámetro.
Figura 2-1: Etapas de reducción de tamaño del zacate buffel.
2.1.3 Hidrólisis
Para llevar a cabo el proceso de hidrólisis, se utilizo un reactor a presión
con agitación y control de temperatura marca Parr. La capacidad del reactor es
de 2000 mL por lo que se trabajó con un volumen de 1500 mL de solución.
2-4
Se llevaron a cabo tres corridas preliminares agregando 50 g de buffel a
1000 mL de una solución de H2SO4 al 1.5% en peso. Cada corrida duró una hora
a una temperatura constante de 120, 140 y 160ºC respectivamente. Cabe
mencionar que el reactor tarda cierto tiempo en llegar a la temperatura deseada,
una vez que esta es alcanzada comienza a tomarse el tiempo, en la Figura 2-2
se puede observar éste comportamiento en la gráfica (a) para 120ºC; (b) para
140ºC y (c) para 160ºC.
Posteriormente fueron realizadas hidrólisis usando 200 g de buffel
pulverizado con 1200 mL de H2SO4 al 1.5% en peso. Se realizaron seis corridas
de hidrólisis acida cuyos parámetros fijados se muestran en la Tabla 2-I.
Tabla 2-I: Parámetros de corridas de hidrólisis acida.
Tipo de corrida 1 2 3 4 5 6
Temperatura (ºC) 140 140 140 120 120 120
Tiempo (h) 1 2 3 1 2 3
2.1.4 Fermentación
Para iniciar la fermentación de las muestras hidrolizadas, fue necesario
hacer un ajuste de pH en la solución para mantener viva a la levadura, se elevo
a 4.5 aproximadamente el cual es un medio aceptable para que la levadura
sobreviva, para ello fueron agregados entre 9 y 12 g de NaOH por cada 1500 mL
de solución hidrolizada con lo que se neutralizaron entre 0.2 y 0.3 moles de
H2SO4 y ácidos como producto de la descomposición de carbohidratos.
El proceso de fermentación se realizo siguiendo varias metodologías las
cuales se explican en la Tabla 2-II y en la Tabla 2-III, podemos observar la lista
2-5
Figura 2-2: Comportamiento de la temperatura dentro del reactor.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80
T (ºC
)
t (min)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 20 40 60 80 100
T (ºC
)
t (min)
(a)
(c)
(b)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 20 40 60 80 100
T (ºC
)
t (min)
2-6
de nutrientes para el crecimiento de la levadura y las cantidades en las que se
utilizaron. Cada fermentación constó de 1000 mL de solución, a la cual se le
agrego 1 g de levadura y en cada matraz se elimino el oxigeno del aire mediante
una flama, para evitar que el etanol se oxidara transformándose en acido acético
(C2H4O2) y para prevenir que entrara al matraz donde se llevó a cabo dicha
fermentación, éste se selló y se montó una trampa de agua. Las primeras
fermentaciones se llevaron a cabo utilizando toda la solución proveniente la
hidrólisis, pero cabe mencionar que esta solución es una suspensión, donde el
soluto es el buffel pulverizado. Para el tipo de corrida 4 el producto de la
hidrólisis se filtró con papel filtro marca WHATMAN® GLASS MICROFIBRE
FILTERS 934-AH, el sólido se desecho y la parte liquida a la que llamaremos
muestra A, se fermentó.
Tabla 2-II: Características de las diferentes corridas de fermentación.
Tipo de corrida Características
1 1000 mL de muestra hidrolizada con nutrientes.
2 300 mL de muestra hidrolizada, con 700 mL de agua potable y nutrientes.
3 300 mL de muestra hidrolizada, con 700 mL de agua destilada.
4 300 mL de muestra hidrolizada, con 700 mL de agua destilada y nutrientes.
Tabla 2-III: Nutrientes para levadura.
Elemento Fuente Cantidad
Carbón Azúcar resultante de la hidrólisis -
Hidrogeno Protones del medio acido -
Oxigeno Disuelto en la solución -
Nitrógeno CO(NH2)2 0.46 g
Fósforo K2HPO4 0.44 g
Potasio K2HPO4 0.17 g
Otras sales Elementos traza 1 mL
Fuente: [16]
2-7
El equipo montado para fermentación se muestra en la Figura 2-3, el cual
consta de un matraz Kitazato de 1000 mL con tapón (sellado con papel
parafilm), conectado a una trampa de agua, el cual se mantuvo dentro de la
incubadora a una temperatura de 30ºC por periodos de 36-40 horas.
Figura 2-3: Equipo montado para fermentación.
2.1.5 Destilación
El equipo utilizado para el proceso de destilación se muestra en la Figura
2-4, consta de un matraz de destilación unido a un refrigerante por un extremo, y
a una probeta por el otro para la recolección del producto. La fuente de calor
para el matraz fue un mechero bunsen. Todas las entradas, salidas y posibles
fugas fueron selladas con papel parafilm.
Todo el volumen de la muestra fermentada (1000 mL) se introdujo en el
matraz de destilación. Una vez obtenidos 50 mL de destilado como mínimo, el
2-8
proceso se detuvo y la muestra se analizó para determinar la cantidad de etanol
en ella, esta etapa del proceso de obtención de bioetanol duró aproximadamente
1h para cada muestra.
Figura 2-4: Equipo montado para destilación.
2.1.6 Preparación de muestras para análisis por HPLC
En cada una de las etapas del proceso para la obtención del etanol, fueron
tomadas muestras para su posterior análisis utilizando la técnica de
cromatografía liquida de alta eficiencia (HPLC, High performance liquid
chromatography). Todas las muestras fueron filtradas usando un filtro Millipore
MEMBRANE DULL SIDE UP tipo EXPRESS PLUS® MEMBRANE de 25 mm y
sometidas a un ajuste de pH de 6.15 – 7.15, utilizado NaOH concentrado (4M)
para no cambiar el volumen de la muestra. En el caso de los carbohidratos las
Entrada
de agua
Alimentación
de gas
Muestra
fermentada
Salida
de agua
Muestra
destilada
2-9
muestras se trabajaron con un factor de atenuación de 5 y un tiempo de análisis
de 35 min, el etanol fue analizado con un factor de atenuación de 10 por 40 min.
2.2 Análisis de carbohidratos y etanol
Para el análisis de las muestras con 50 y 200 g de buffel, se hicieron
distintas curvas de calibración, ya que se utilizaron dos equipos analizadores de
datos, el HPLC fue el mismo, los detalles para cada tipo de muestra se explican
en las secciones 2.2.1 y 2.2.2.
2.2.1 Análisis para muestras con 50 g de buffel
El análisis de carbohidratos se realizó por HPLC utilizando una columna
Aminex® HPX-87P (300mm x 7.8mm) a 55ºC y un detector de índice de
refracción Varian STAR 9040 operando a 35ºC, a una resolución de 256x10-6
RIU (refractive index units). La fase móvil fue agua desionizada y desgasificada
a un flujo de 0.45 mL/min; el tiempo de análisis fue de 80 min. Los datos fueron
graficados y procesados por un colector de datos USB acoplado al HPLC.
Para analizar los productos de la hidrólisis se hicieron curvas de
calibración. Se prepararon soluciones de concentraciones conocidas de los
productos esperados y posteriormente fueron analizados. Los productos
esperados fueron galactosa, glucosa y xilosa, las concentraciones de las
soluciones antes mencionadas fueron, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 y 1 g/L, las cuales fueron
inyectadas al HPLC cada 5 min aproximadamente.
2-10
El resultado de este análisis es un cromatograma para cada carbohidrato
como se muestra en la Figuras 2-5 donde (a) corresponde a galactosa, (b) a
glucosa y (c) xilosa, cada pico del cromatograma representa la detección de una
sustancia de diferente concentración.
Posteriormente se utilizó el software Origin 5.0, para calcular las áreas de
los picos mostrados en los cromatogramas las áreas resultantes se muestran en
la Tabla 2-IV.
Tabla 2-IV: Áreas bajo la curva para carbohidratos.
Galactosa
(TR*: 23 min)
Glucosa (TR: 21min)
Xilosa (TR: 27 min)
Área (mV·min)
Concentración (g/L)
Área (mV·min)
Concentración (g/L)
Área (mV·min)
Concentración (g/L)
0.18842 1 0.24085 1 0.043516 1
0.15559 0.8 0.1939 0.8 0.07682 0.8
0.11702 0.6 0.14274 0.6 0.12602 0.6
0.074566 0.4 0.09424 0.4 0.1677 0.4
0.034543 0.2 0.044716 0.2 0.21042 0.2
Las curvas de calibración se obtuvieron graficando los datos de las áreas
en función de la concentración como se muestra en las Figuras 2-6, 2-7 y 2-8
para galactosa, glucosa y xilosa respectivamente (las curvas son las mismas,
aun si se trabaja con NaOH como en la hidrólisis básica). Cada grafica tiene
consigo la ecuación de la función resultante, la cual se utilizó para determinar las
concentraciones de carbohidratos de las muestras hidrolizadas tomando en
cuenta que todas las curvas de calibración tienen la forma 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏, donde y
es el área bajo la curva, m es el valor de la pendiente y x es el valor de la
concentración de carbohidratos en g/L.
2-11
Figura 2-5: Cromatogramas del análisis de carbohidratos.
0 10 20 30 40 50 60
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
0.2 g/L
0.4 g/L
0.6 g/L
0.8 g/L
1 g/L
B
mV
t(min)
0 10 20 30 40 50 60 70
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.2 g/L
0.4 g/L
0.6 g/L
0.8 g/L
1 g/L
B
mV
t(min)
10 20 30 40 50 60 70
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.080.6 g/L
0.4 g/L
0.2 g/L
B
mV
t(min)
(a)
(b)
(c)
2-12
Figura 2-6: Curva de calibración para galactosa (TR: 23 min).
Figura 2-7: Curva de calibración para glucosa (TR: 21 min).
y = 0.1944x - 0.0026R² = 0.998
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Áre
a (
mV
·L)
Concentración (g/L)
y = 0.246x - 0.0043R² = 0.9999
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Áre
a (
mV
·L)
Concentración (g/L)
2-13
Figura 2-8: Curva de calibración para xilosa (TR: 27 min).
2.2.2 Análisis de muestras con 200 g de buffel
El análisis de carbohidratos y etanol se realizó HPLC utilizando una
columna Aminex® HPX-87P (300mm x 7.8mm) a 55ºC y un detector de índice
de refracción Varian STAR 9040 operando a 35ºC, a una resolución de 256x10-6
RIU (refractive index units). La fase móvil fue agua desionizada y desgasificada
a un flujo de 0.45 mL/min; el tiempo de análisis fue de 35 y 40 min para
carbohidratos y etanol respectivamente. Los datos fueron graficados y
procesados con un factor de atenuación de 5 para carbohidratos y 10 para
etanol, por el integrador-graficador Shimadzu C-R3A que se encuentra acoplado
al HPLC.
y = 0.2123x - 0.0025R² = 0.9975
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Áre
a (
mV
·L)
Concentración (g/L)
2-14
Para analizar los productos de la hidrólisis se hicieron curvas de
calibración. Se prepararon soluciones de concentraciones conocidas de los
productos esperados y posteriormente fueron analizados. Los productos
esperados fueron carbohidratos (galactosa, glucosa y xilosa) y etanol, las
concentraciones de las soluciones antes mencionadas fueron, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 y
1 g/L para los tres carbohidratos y 20, 16, 12, 8 y 4% en volumen para etanol,
las cuales fueron inyectadas al HPLC cada 5 min aproximadamente.
El resultado de este análisis es un cromatograma para cada carbohidrato
como se muestra en la Figura 2-9 para carbohidratos y en la Figura 2-10 para
etanol, cada pico del cromatograma representa la detección de una sustancia y
la cifra sobre él representa el tiempo en minutos en el cual fue detectada. La
Tabla 2-V para carbohidratos y la Tabla 2-VI para etanol también forman parte
del resultado del análisis, en ésta se encuentra el área de cada uno de los picos
del cromatograma (para facilitar la lectura de estos datos, las áreas de los picos
tan pequeños que no son apreciables a la vista fácilmente fueron despreciados)
y la concentración de la sustancia inyectada al HPLC.
Tabla 2-V: Resultados del análisis de carbohidratos por HPLC.
Galactosa
(TR*: 25.3 min)
Glucosa (TR: 21.7 min)
Xilosa (TR: 31.5 min)
Área (ua) Concentración
(g/L) Área (ua)
Concentración (g/L)
Área (ua) Concentración
(g/L)
1128248 1 1107776 1 1110620 1
881619 0.8 980776 0.8 969563 0.8
687636 0.6 782978 0.6 646563 0.6
465583 0.4 519053 0.4 470532 0.4
251182 0.2 276650 0.2 193522 0.2
* TR es el tiempo de residencia de cada sustancia dentro del equipo.
2-15
Figura 2-9: Cromatogramas del análisis de galactosa, glucosa y xilosa.
Tabla 2-VI: Resultados del análisis de etanol por HPLC.
Etanol
TR:30 min
Área (ua) Concentración
(% v/v)
78993360
64474712
47997532
31164556
16973526
20
16
12
8
4
Las curvas de calibración se obtuvieron graficando los datos de las áreas
en función de la concentración como se muestra en las Figuras 2-11, 2-12, 2-13
y 2-14 para galactosa, glucosa, xilosa y etanol respectivamente. Cada gráfica
tiene consigo la ecuación de la función resultante, en este caso se obtuvieron
líneas rectas, como lo podemos comprobar al observar el valor del coeficiente de
2-16
correlación (R2), el cual se aproxima a 1 en todas las gráficas, por lo tanto se
concluyó que las curvas de calibración eran lo suficientemente buenas para
trabajar con ellas.
Figura 2-10: Cromatograma resultante del análisis de Etanol.
Figura 2-11: Curva de calibración de galactosa (TR: 25.3 min).
y = 1085084 x + 31803
R² = 0.999
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Área
Concentración [g/L]
2-17
Figura 2-12: Curva de calibración de glucosa (TR: 21.7 min).
Figura 2-13: Curva de calibración de xilosa (TR: 31.5 min).
y = 1061987.5 x + 96254
R² = 0.9842
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Área
Concentración [g/L]
y = 1166613.5 x - 21808
R² = 0.9882
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Área
Concentración [g/L]
2-18
Figura 2-14: Curva de calibración de etanol (TR: 30 min).
El objetivo de estas curvas de calibración es poder usarlas para calcular la
concentración de carbohidratos y etanol en las muestras hidrolizadas,
fermentadas y destiladas. Para calcular dichas concentraciones es necesario
evaluar el área bajo la curva resultante de cada análisis, dentro de la ecuación
de la curva de calibración que corresponda a la sustancia cuya concentración se
quiera conocer.
Todas las curvas de calibración tienen la forma,
𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 (2)
donde, y es el área bajo la curva, m es el valor de la pendiente y x es el valor de
la concentración en g/L para carbohidratos y en porcentaje en volumen (% v/v)
para etanol.
y = 3933745.6 x + 715790
R² = 0.9991
0
15000000
30000000
45000000
60000000
75000000
90000000
0 5 10 15 20 25
Área
Concentración [% v/v]
2-19
2.3 Resultados
Cada uno de los cromatogramas correspondientes a cada hidrólisis,
fermentación y destilación analizada se encuentran en el Apéndice A. La
interpretación de estos cromatogramas fue clave en la toma de decisiones que
afectarían la caracterización de la obtención de etanol a partir de buffel.
2.3.1 Características de los productos
La solución buffel-H2SO4 antes de ser hidrolizada tiene una textura
pastosa, un color café claro y se alimenta al reactor de la manera más
homogénea posible. Una vez que la muestra ha terminado la corrida dentro del
reactor y es retirada sus características físicas cambian, dependiendo del tiempo
y la temperatura a la cual se sometió dentro del reactor. Entre más alta haya
sido la temperatura y más largo el tiempo de reacción, la solución cambia de
color y se torna más oscura, en la Figura 2-15 se puede observar claramente
esta diferencia. El producto de la hidrólisis es una solución de dos fases (Figura
2-16), formando una suspensión con sobrenadante y sedimento (buffel). El olor
de la solución cambia de un fuerte aroma a pasto a un aroma dulce. El pH de la
solución al finalizar la hidrólisis se encuentra alrededor de 1.4.
Figura 2-15: Comparación de color entre muestras de diferentes hidrólisis.
Conforme la fermentación va avanzando, una capa de espuma se forma
sobre la solución, esto pasa por que la levadura comienza a liberar CO2 y a
2-20
medida que el gas avanza en la trampa de agua se presentan burbujas también,
en la Figura 2-17 se puede apreciar con mayor facilidad. Una vez que la
fermentación termina el producto presenta un aroma a alcohol.
El producto de la destilación es un líquido incoloro y con un fuerte olor a
alcohol.
Figura 2-16: Producto de hidrólisis.
Figura 2-17: Fermentadores.
2-21
2.3.2 Cantidad máxima de carbohidratos
El buffel contiene aproximadamente un 84.4% en peso de materia orgánica
seca, de este porcentaje el 10% corresponde a proteína cruda y el resto es fibra
la cual se compone de celulosa en un 35.3%, hemicelulosa en un 31.8%, lignina
en un 5.3% y cenizas en un 2.1% [13].
Los carbohidratos presentes en esta composición son celulosa y
hemicelulosa lo que representa un 67.1% de la composición total de la materia
seca del buffel.
La concentración máxima de carbohidratos que se pudiera obtener luego
de hidrolizar 50 g de buffel pulverizado con 1 L de H2SO4 al 1.5% en peso, es de
33.55 g, para 200 g de buffel pulverizado con 1.2 L de H2SO4 al 1.5% en peso es
de 134.2 g.
2.3.3 Resultados de la hidrólisis
Los resultados de las primeras corridas de hidrólisis donde se usaron 50 g
de buffel y 1000 mL de H2SO4 al 1.5% en peso se muestran en la Tabla 2-VII,
esta tabla muestra la temperatura a la cual se llevó a cabo la corrida y el tiempo
que duró la muestra a esta misma temperatura dentro del reactor a presión y las
concentraciones de carbohidratos resultantes (galactosa, glucosa y xilosa),
todas las muestras se analizaron usando una relación 1:6.
Los datos de la Tabla 2-VII mostraron concentraciones muy pequeñas de
carbohidratos en las muestras, esto se debió a que la mezcla buffel-H2SO4 se
encontraba muy diluida. La concentración más alta de carbohidratos se presentó
en la muestra 1 con una cantidad de 14.5 g/L de los cuales 7.08 g/L fueron de
2-22
glucosa el carbohidrato más fácilmente fermentable por la levadura. Las
muestras 2 y 3 tienen una diferencia mínima, por lo que se decidió realizar las
hidrólisis de nuevo a 120 y 140ºC, ya que elevar la temperatura a 160ºC, sería
un gasto de energía innecesario pues la cantidad de carbohidratos no se
elevaría significativamente.
En las nuevas hidrólisis fueron agregados 200 g de buffel y 1200 mL de
H2SO4 al 1.5% en peso y el tiempo a temperatura constante al que se sometió
cada muestra varió entre 1, 2 y 3 horas. Los resultados obtenidos del análisis de
las muestras hidrolizadas (las cuales se diluyeron en relación 1:10), se muestran
en la Tabla 2-VIII, donde se puede observar que las hidrólisis con la cantidad
más favorable de carbohidratos, fueron las muestras 2 y 6. De las seis hidrólisis
realizadas éstas fueron seleccionadas para ser fermentadas por contar con la
información completa proporcionada por los cromatogramas y las
concentraciones de carbohidratos más altas (el criterio detallado de selección se
describe en el Apéndice A).
2.3.4 Resultados de fermentación y destilación subsecuente
Cuando se analizaron las fermentaciones en HPLC en los cromatogramas
se dio la presencia de un pico en el tiempo de aparición de etanol (30 min), esto
nos confirma que dicha muestra si se fermentó, pero es incorrecto tomar estos
datos de etanol de los cromatogramas para obtener la concentración existente,
ya que el factor de atenuación con el que se hicieron las curvas de calibración
para carbohidratos y etanol es diferente, es por esto que en la Tabla 2-IX se
presenta la concentración de carbohidratos para cada muestra y solo las áreas
bajo la curva haciendo alusión a la existencia de etanol dentro de la muestra.
2-23
Las hidrólisis 2 y 6 fueron fermentadas, se uso un litro de muestra
hidrolizada, se le agrego 1 g de levadura y los nutrientes mencionados en la
Tabla 2-III. Como se puede observar en la Tabla 2-IX la concentración de
carbohidratos en estas muestras después de fermentación fue alta, esto indica
que la fermentación no se logró de manera exitosa. Se cree que la interrupción
de la fermentación pudo ser causada por dos fenómenos, debido a que la
presión osmótica dentro del matraz era muy alta, o por la degradación de
carbohidratos como la xilosa a aldehídos como furfural y acido acético que
pudieran ser dañinos para el crecimiento y desempeño de la levadura [17]. La
muestra 2 tiene la concentración más alta de carbohidratos y no presenta
ninguna señal de existencia de etanol, en la muestra 6 la concentración de
carbohidratos es menor, aun así esta muestra fue destilada y como se puede
observar en la Tabla 2-X, la concentración de etanol resultante en 50 mL de
muestra destilada fue de 0.76 g/L que es demasiado baja.
El experimento siguiente se realizó diluyendo las soluciones fermentadas
2 y 6, se utilizaron 300 mL de esta muestra y 700 mL de agua potable, se ajusto
el pH de la solución y la misma cantidad de levadura y nutrientes que se usó
para todos los experimentos fue agregada. Estas muestras fueron nombradas
2A, 2B, 6A y 6B, en la primeras dos se utilizó material hidrolizado igual a la
muestra 2, para las otras dos muestras, se usó material hidrolizado igual al de la
muestra 6. Analizando las áreas bajo la curva para los picos de etanol, que en
este caso se presentaron en las cuatro fermentaciones, se escogieron las
muestras 2B y 6A, por ser estas las que presentaron las señales
correspondientes al etanol con las áreas más grandes como se observa en la
Tabla 2-IX y la concentración de etanol existente dentro de 50 mL de destilado
se presenta en la Tabla 2-X. La diferencia que hay entre la concentración de
etanol que existe en estas dos muestras (2B y 6A) y la muestra 6, es muy
grande y favorecedora. En base a los resultados de este experimento, se
optimizó el factor de dilución para la muestra hidrolizada en la etapa de
fermentación.
2-24
Tabla 2-VII: Análisis de las muestras hidrolizadas usando 50 g de buffel.
Muestra Temperatura
(ºC) Tiempo
(h)
Concentración de carbohidratos (g/L)
Concentración total de carbohidratos
(g/L) Galactosa Glucosa Xilosa
1 120 1 5.36 7.08 1.69 14.15
2 140 1 3.22 1.92 0.96 6.11
3 160 1 0.77 2.83 3.41 7.02
Tabla 2-VIII: Análisis de muestras hidrolizadas con 200 g de buffel.
Muestra Temperatura
(ºC) Tiempo
(h)
Concentración de carbohidratos (g/L)
Concentración total de carbohidratos
(g/L) Galactosa Glucosa Xilosa
1 140 1 14.67 ND* ND 14.67
2 140 2 17.01 17.53 5.63 40.17
3 140 3 6.40 ND 2.12 8.53
4 120 1 8.40 ND 0.38 8.78
5 120 2 16.50 ND 1.52 18.03
6 120 3 21.92 18.5 9.56 50.01
*ND significa que la señal de la sustancia está presente pero el tiempo en que la señal fue detectada, no fue proporcionada por el integrador-graficador.
Tabla 2-IX: Resultados de fermentación.
Muestras
2 6 2A 2B 6A 6B
Vol. muestra hidrolizada (mL) 1000 1000 300 300 300 300
Vol. agua en fermentación (mL) 0 0 700 700 700 700
Tiempo de fermentación (h) 40 40 42 42 42 42
Concentración galactosa (g/L) 17.53 21.95 ND ND ND ND
Concentración glucosa (g/L) 17.01 18.50 ND 9.94 5.06 1.20
Concentración xilosa (g/L) 5.63 9.56 15.83 0.12 ND ND
Carbohidratos totales (g/L) 40.17 50.01 15.83 10.07 5.06 1.20
Área etanol (ua) NP* NP 153719 371974 4563674 4314184
*NP significa que no hay presencia de la sustancia analizada en el cromatograma.
2-25
Tabla 2-X: Resultados de destilación.
Muestra Concentración de etanol
en 50 mL de destilado (% v/v) Concentración de etanol
en 50 mL de destilado (g/L)
6 0.09 0.76
2B 2.35 17.53
6A 2.16 19.09
2.3.5 Resultados para muestra “A”
Analizando los resultados de cada una de las etapas del proceso de
obtención de etanol a partir de buffel, se tomó la decisión de experimentar de
nuevo, utilizando los parámetros de la muestras 2B y 6A, y algunas
características que fueron cambiadas con el fin de optimizar aun más este
proceso. El nuevo experimento de hidrólisis se llevó a cabo a 140ºC durante 2 h
pero a diferencia de los otros experimentos el producto de esta hidrólisis se filtró.
Las características de fermentación para la muestra A fueron iguales a las
demás, la única diferencia es que esta vez se utilizó agua destilada para aforar
300 mL de muestra A, en 1000 mL de solución.
Los resultados del análisis de carbohidratos en la muestra A después de
haber sido hidrolizada se muestran en la Tabla 2-XI y como se puede observar
la concentración total de carbohidratos existente en ella, es bastante grande y
favorable. Al iniciar la fermentación la muestra tenía una concentración total de
carbohidratos de 10.79 g/L y aproximadamente un 60.5% de esta concentración
fue fermentada (ver Apéndice A, sección 6.3). Haciendo una comparación entre
los resultados del análisis de las muestras fermentadas y destiladas de la Tabla
2-XII y los de la Tabla 2-X se observa que la concentración de los 50 mL de
etanol destilados es muy parecida en la muestra 2B y en la muestra A, mas sin
embargo el tiempo de fermentación para la muestra A es de 6 horas menos, por
2-26
esta razón se concluye que el proceso de fermentación si se optimiza, filtrando
los productos de la hidrólisis y utilizando agua destilada.
Tabla 2-XI: Análisis de carbohidratos después de hidrolizar la muestra A.
Temperatura (ºC)
Tiempo (h)
Concentración de carbohidratos (g/L) Concentración total de carbohidratos (g/L) Galactosa Glucosa Xilosa
140 2 1.69 30.55 4.39 36.63
Tabla 2-XII: Resultados de fermentación y destilación para la muestra A.
Componente
Volumen de sustancia hidrolizada (mL) 300
Volumen de agua agregada a fermentación (mL) 700
Tiempo de fermentación (h) 36
Concentración galactosa (g/L) 2.02
Concentración glucosa (g/L) 2.31
Concentración xilosa (g/L) 0.02
Carbohidratos totales al final de la fermentación (g/L) 4.36
Concentración de etanol en 50 mL de destilado (g/L) 19
2.3.6 Balance de energía
El balance de energía fue realizado caracterizando las etapas principales
del proceso que demandan la mayor cantidad de energía: reducción de tamaño,
hidrólisis y destilación. Para estimar la energía requerida para la reducción de
tamaño y el proceso de hidrólisis se utilizaron los datos nominales de los
equipos utilizados (voltaje e intensidad de corriente) y el tiempo de operación de
cada uno de ellos. La energía consumida en la destilación fue estimada
midiendo la energía calorífica proporcionada por unidad de tiempo, y usando el
tiempo requerido para obtener 50 mL de destilado. Finalmente, para estimar el
balance de energía, se planteo la siguiente expresión:
2-27
(3)
donde:
(4)
El balance de energía se realizó tomando en cuenta los datos de las
Tablas 2-XI y 2-XII, los cuales corresponden a la muestra A. Es prudente
recordar que la hidrólisis de ésta muestra se llevó a cabo usando 200 g de buffel
pulverizado y 1200 mL de H2SO4 al 1.5% en peso, alcanzando un volumen total
dentro del reactor aproximadamente de 1500 mL, así mismo la fermentación
subsecuente se realizó con 300 mL de la solución hidrolizada y 700 mL de agua
destilada. El balance está basado en el consumo de energía para la producción
de 1 g de etanol, es por ello que el cálculo de la cantidad necesaria de buffel
para producirlo es el primero. Como se mencionó con anterioridad se requieren
200 g de buffel para obtener un volumen de 1500 mL de muestra hidrolizada, si
solo 300 mL de esta muestra son fermentados, entonces la cantidad de buffel
pulverizado en este volumen, se calcula de la siguiente manera:
(5)
El etanol producido por fermentar 40 g de buffel se calculó de la siguiente
manera, tomando en cuenta que de 50 mL de destilado tenían una
concentración de 19 g/L de etanol,
𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎
= 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑟 1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
− 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
=
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑟1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
+
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑢𝑓𝑓𝑒𝑙𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
+
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑟𝑒𝑙 𝑏𝑢𝑓𝑓𝑒𝑙 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
200 𝑔 300 𝑚𝑙
1500 𝑚𝑙= 40 𝑔 𝑑𝑒 𝑏𝑢𝑓𝑓𝑒𝑙
2-28
(6)
Para producir 1 g de etanol, son requeridos 40 g de buffel pulverizado, teniendo
este dato como base, como se realizó el balance de energía.
En la reducción de tamaño del buffel fueron utilizados dos equipos
consumidores de energía, una desintegradora de granos y forrajes, y un molino
Pulvex 200. Se molió 1 kg de buffel, el tiempo que estos equipos trabajaron fue
de 4.02 y 4.98 min respectivamente, el tiempo proporcional para reducir de
tamaño 40 g de buffel es de 9.6 y 12 s para cada equipo respectivamente,
haciendo los cálculos pertinentes se obtuvo un consumo de energía de 20285.33
y 32233.76 J respectivamente como se muestra en la Tabla 2-XIII. La energía
total consumida para la reducción de tamaño del buffel se cálculo sumando las
dos cantidades de energía consumidas por los equipo de molienda:
(7)
La mayor cantidad de energía consumida en la etapa de hidrólisis se
presenta en el cambio que se da de temperatura ambiente hasta alcanzar el set
point, una vez que el reactor se encuentra a temperatura constante, éste calienta
muy pocas veces, solo cuando la temperatura disminuye, es por esto que se
tomó un tiempo promedio de calentamiento aproximado a 30 min (1800 s). La
energía total consumida por el reactor a presión esta dado por,
(8)
Es necesario tomar en cuenta que esta energía no solo es consumida por la
solución sino también por el reactor a presión que tiene un peso de 6 kg y es de
19 𝑔 50 𝑚𝑙
1000 𝑚𝑙= 0.95 ≈ 1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑢𝑓𝑓𝑒𝑙 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 20285.33 + 32233.76 𝐽 = 52519.09 𝐽
115𝐽
𝐶 16
𝐶
𝑠 1800 𝑠 = 3312000 𝐽
2-29
acero inoxidable. Es por ello que la energía consumida por el reactor tomada en
cuenta, solo para hidrolizar la solución, se calcula de la siguiente manera
sabiendo que el Cp de la solución buffel- H2SO4 se tomó como 4.184 J/(gºC) y el
Cp del acero inoxidable es de 0.51 J/(gºC). Se realizaron los siguientes cálculos,
(9)
y el porcentaje de la energía total consumida correspondiente a este tiempo es
aproximadamente el 65% equivalente a 430560 J, como se calculo en la
ecuación (10), el 35% restante corresponde al calentamiento del reactor.
La energía total consumida antes mencionada corresponde a la hidrólisis
de 200 g de buffel, la energía correspondiente a los 40 g de buffel con los que se
produce 1 g de etanol es de 662400 J.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎
𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑟 𝑒𝑙 𝑏𝑢𝑓𝑓𝑒𝑙 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
= 3312000 𝐽 40 𝑔
200 𝑔 = 662400 𝐽 (10)
En la etapa de destilación se utilizó un mechero bunsen para el
calentamiento de la muestra fermentada. Para poder cuantificar la cantidad de
energía liberada por este instrumento, se realizó un experimento con agua, el
cual consistía en elevar su temperatura de 25 a 50ºC y tomar el tiempo que
tardaba en llegar a dicha temperatura. Una vez conocido el tiempo (t), el
intervalo de temperatura (ΔT), el calor específico a presión constante (Cp) del
agua que es igual a 1 cal/gºC (4.184 J/gºC) y la masa total (m) de agua que se
calentó, que en este caso fue de 1000 g, se aplico la fórmula (11) para calcular
la cantidad de energía consumida (Q).
(11)
1400 𝑔 4.184𝐽𝑔º𝐶
1400𝑔 4.184𝐽𝑔º𝐶
+ 6000𝑔 0.51𝐽𝑔º𝐶
100% = 65%
𝑄 = 𝑚 𝐶𝑝 ∆𝑇
2-30
El equipo que se montó para llevar a cabo el experimento se muestra en la
Figura 2-18, todo el sistema se cubrió con papel aluminio para tratar de
resguardar la mayor cantidad de calor posible y minimizar las pérdidas de
energía. El tiempo que tardó el mechero en incrementar la temperatura del agua
de 25 a 50ºC fue de 15 min aproximadamente y la energía consumida se
aproximó a 6975 J/min. Utilizando este dato como referencia, y tomando en
cuenta que el tiempo transcurrido para obtener 50 mL de destilado de 1 h
aproximadamente la energía consumida por el mechero tomando en cuenta las
mismas consideraciones que en el experimento con agua se estima en 418500 J
(12)
Todos los componentes de la ecuación (4) han sido calculados,
sustituyendo en ella las ecuaciones (7), (10) y (12), la energía necesaria para
producir 1 g de etanol es calculada como en la ecuación (13).
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
= 52 519 + 662400 + 418 500 𝐽 = 1133419 𝐽 (13)
El balance de energía se calculó sustituyendo en la ecuación (3) el valor
obtenido en la ecuación (13) y la energía proporcionada al quemar 1 g de etanol,
la cual equivale a la entalpía de combustión de etanol que es de 1370 kJ/mol ó
29678 J/g.
𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎
= 29 678 – 1133419 𝐽 = −1103741 𝐽 (14)
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑟1 𝑔 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
= 418 500 𝐽
2-31
El resultado del balance de energía es negativo, esto se debe a que la energía
consumida para producir 1 g de etanol, es mayor que la energía producida al
quemar 1 g de etanol.
Tabla 2-XIII: Energía consumida por equipo para elaboración de etanol.
Equipo Volts (J/C)
Amperes (C/s)
Tiempo (s)
Energía consumida (J)
Desintegradora de granos y forrajes 220 9.6 9.6 20285.33
Molino Pulvex 200 220 12.2 12 32233.76
Reactor a presión Parr 115 16 1800 662400
Mechero Bunsen - - 3600 418500
Figura 2-18: Equipo usado para cuantificar la energía en destilación.
Mechero bunsen
dentro del papel
aluminio
Alimentación
de gas para el
mechero
1 litro de agua
Termómetro