determinaciÓn de la cinÉtica hidrÓlisis material
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DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA DE HIDRÓLISIS ÁCIDA DE MATERIAL LIGNOCELULÓSICO PROVENIENTE DE LA TUSA DE PALMA AFRICANA.
MARÍA XIMENA CAMACHO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ 2009
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DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA DE HIDRÓLISIS ÁCIDA DE MATERIAL LIGNOCELULÓSICO PROVENIENTE DE LA TUSA DE PALMA AFRICANA.
MARIA XIMENA CAMACHO SUÁREZ
Trabajo de Grado Para Optar El Título De Ingeniera Química
Asesora Isabel Jiménez
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ 2009
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AGRADECIMIENTOS
A mi familia por su apoyo constante
A Santiago por creer en mí y estar siempre a mi lado
A Isabel Jiménez, mi asesora por enseñarme que siempre se logra bueno a pesar de las
adversidades, por su confianza en el proyecto y sus aportes para la realización del mismo.
A mis compañeros de laboratorio por ser mi compañía diaria durante el último semestre.
A Luz Dary Rugeles, Sonia Rojas y José María Robles del laboratorio de Ingeniería Química de la
Universidad de Los Andes por regalarme un poco de su sabiduría y su gran apoyo en las pruebas
experimentales.
A todos aquellos que hicieron parte de estos cinco años llenos de proyectos.
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CONTENIDO
RESUMEN .............................................................................................................................................8
JUSTIFICACION .....................................................................................................................................9
1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 10
2. OBJETIVOS ................................................................................................................................. 12
2.1 Objetivo General ............................................................................................................... 12
2.2 Objetivos Específicos ......................................................................................................... 12
3. ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................................... 13
3.1 Palma Africana .................................................................................................................. 13
3.1.1 Residuos de la Producción de Aceite ........................................................................ 13
3.2 Material Lignocelulósico ................................................................................................... 15
3.2.1 Azúcares Reductores ................................................................................................. 15
3.3 Producción de Azúcares a partir de Material Lignocelulósico .......................................... 16
3.4 Generalidades del Modelo Cinético de la Hidrólisis Ácida ............................................... 18
3.5 Análisis Lignocelulósico de la tusa .................................................................................... 25
4. MATERIALES Y METODOS ......................................................................................................... 26
4.1 Materiales y Equipos ......................................................................................................... 26
4.2 Diseño Experimental ......................................................................................................... 26
4.3 Métodos ............................................................................................................................ 27
4.3.1 Hidrólisis ácida .......................................................................................................... 27
4.3.2 Cuantificación de Glucosa ......................................................................................... 29
4.3.3 Cuantificación de Azúcares Reductores .................................................................... 30
4.3.4 Modelos Cinéticos ..................................................................................................... 30
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................................................... 37
5.1 Curvas de Calibración de Métodos Espectrofotométricos ............................................... 37
5
5.2 Hidrólisis ácida de Tusa de palma Africana ....................................................................... 40
5.3 Modelo cinético para la concentración de xilosa ............................................................. 47
5.4 Modelo cinético para la concentración de furfural .......................................................... 50
5.5 Modelo cinético para la concentración de Glucosa .......................................................... 53
6. CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 55
7. ANEXOS ..................................................................................................................................... 56
7.1 Anexo 1. Cuantificación de Furfural .................................................................................. 56
7.2 Anexo 2. Cuantificación de Glucosa .................................................................................. 58
7.3 Anexo 3. Cuantificación de Azucares Reductores ............................................................. 60
7.4 Anexo 4. Rutina Computacional ........................................................................................ 63
7.4.1 En solver de Excel, Microsoft Office System 2007. ................................................... 63
7.4.2 En Matlab 7.0 ............................................................................................................ 65
8. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................ 67
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Contenido de azúcares en material lignocelulósico ............................................................ 17 Tabla 2. Estudios basados en el modelo Saeman ............................................................................. 21 Tabla 3. Composición de material lignocelulósico de tusa de Palma africana ................................. 25 Tabla 4. Diseño experimental de la hidrólisis ácida de tusa seca. .................................................... 28 Tabla 5. Resumen de los mecanismos de reacción utilizados. ......................................................... 36 Tabla 6. Máximos rendimientos de Xilosa ........................................................................................ 43 Tabla 7. Máximos rendimientos de furfural ..................................................................................... 44 Tabla 8. Máximos rendimientos de glucosa ..................................................................................... 46 Tabla 9. Parámetros cinéticos y estadísticos para xilosa a diferentes condiciones de operación.... 47 Tabla 10. Parámetros obtenidos para la correlación de la temperatura por medio de la ecuación de Arrehnius ........................................................................................................................................... 48 Tabla 11. Parámetros obtenidos para la correlación de la temperatura por medio de la ecuación de Arrehnius ........................................................................................................................................... 49 Tabla 12. Parámetros cinéticos para el modelo generalizado de xilosa ........................................... 50 Tabla 13. Parámetros cinéticos y estadísticos furfural a diferentes condiciones de operación ....... 51 Tabla 14. Parámetros cinéticos para el modelo generalizado de furfural ........................................ 52 Tabla 15. Parámetros cinéticos y estadísticos para glucosa a diferentes condiciones de operación53 Tabla 16. Parámetros cinéticos para el modelo generalizado de glucosa ........................................ 54
ÍNDICE DE IMÁGENES
Figura 1. Residuos proceso de extracción aceite de Palma. Tomado de Bernal, 2001..................... 14 Figura 2. Estructura de Monosacáridos, aldosas. ............................................................................. 16 Figura 3. Representación del modelo Cinético de Saeman. ............................................................. 20 Figura 4. Representación del modelo Cinético generalizado de Saeman. ........................................ 22 Figura 5. Metodología Experimental ................................................................................................ 27 Figura 6. Reacciones de hidrólisis ácida de tusa con H2SO4. ............................................................. 32 Figura 7. Ejemplos de pruebas NTC‐269. .......................................................................................... 57 Figura 8. Ejemplos de pruebas con kit de glucosa. ........................................................................... 59 Figura 9. Ejemplos de pruebas con DNS. .......................................................................................... 61 Figura 10. Planteamiento del problema en Excel. ............................................................................ 63 Figura 11. Definición de los Parámetros en Solver ........................................................................... 64 Figura 12. Planteamiento del problema en Excel. ............................................................................ 65
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ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Curva de Calibración de DNS. Valores promedio de tres réplicas. ................................... 38 Gráfica 2. Curva de Calibración de NTC‐269. Valores promedio de tres réplicas. ............................ 39 Gráfica 3. Curva de Calibración de NTC‐269. Valores promedio de tres réplicas. ............................ 40 Gráfica 4. Dependencia experimental y del modelo de la concentración de xilosa en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas de hidrólisis ácida de tusa con H2SO4. ........ 42 Gráfica 5. Dependencia experimental y del modelo de la concentración de furfural en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas de hidrólisis ácida de tusa con H2SO4. ........ 43 Gráfica 6. Dependencia experimental y del modelo de la concentración de glucosa en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas. ..................................................................... 45 Gráfica 7. Dependencia de la concentración de xilosa en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas a partir del modelo determinado. ................................................................. 50 Gráfica 8. Dependencia de la concentración de furfural en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas con base en el modelo determinado ........................................................ 52 Gráfica 9. Dependencia de la concentración de glucosa en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas con base en el modelo determinado ........................................................ 54
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RESUMEN
El interés sobre la utilización de residuos lignocelulósicos para la bioconversión a combustible es
creciente por las ventajas a nivel ambiental, al igual que por su bajo costo, el hecho de ser
renovables y su gran contenido de azúcares. En la actualidad varias industrias tienen como
subproducto biomasa con alto contenido de material lignocelulósico. Dentro de dichas industrias
se encuentran principalmente la maderera, caña de azúcar, maíz, y la industria bananera entre
otras. En Colombia los racimos vacíos de los frutos de palma africana (tusa) constituyen una fuente
importante de material lignocelulósico para la producción de biocombustibles por sus altos
volúmenes de producción al igual que por su alto contenido de celulosa.
En este estudio se realizó la hidrólisis ácida de la tusa a tres temperaturas de operación (105°C,
115°C y 125°C), a diferentes concentraciones de ácido sulfúrico (0,6%, 1,0%, y 1,4%) y a diferentes
tiempos de reacción (0‐60min en un intervalo de 10min). Se determinó la cantidad de azúcares
reductores, glucosa y furfural resultantes de dicha hidrólisis. La cantidad de azúcares reductores se
determinó por medio de DNS, la cantidad de glucosa por medio del kit de glucosa, y la cantidad de
furfural por medio de una modificación a la Norma Técnica Colombiana NTC 269. A partir de estos
datos y de algunos modelos matemáticos se obtuvieron los parámetros cinéticos con el fin de
predecir la concentración de azúcares reductores, glucosa y furfural en la hidrólisis ácida.
Las condiciones óptimas dentro del rango estudiado fueron 115°C, 1,4% de H2SO4 y 40min, a
estas condiciones se obtuvo el rendimiento máximo de xilosa, con un valor de 87,4% (valor
promedio). A estas condiciones se obtiene un rendimiento de furfural de 8,9% y un rendimiento
de glucosa de 88,2%.
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JUSTIFICACION
La búsqueda de energías renovables se ha convertido en una de las grandes tendencias a nivel
mundial ya que los combustibles fósiles no solamente constituyen un problema ambiental
importante sino también hay una creciente preocupación por la dificultad en su abastecimiento.
Actualmente se producen biocombustibles a partir de la biomasa de diferentes cultivos como de
palma africana, maíz, soya, caña y yuca entre otros.
En la industria de palma africana la tusa constituye aproximadamente un 22% del peso inicial de
los racimos frescos [Fedepalma, 2008] y ésta supera la cantidad de aceite de palma producido. La
tusa es el residuo más abundante del proceso, por lo que estudiar alternativas para generar valor a
partir de éstas contribuye a disminuir el impacto ambiental que trae la mala manipulación de los
residuos. Es por esta razón que la utilización de la tusa para producción de bioetanol representa
una excelente oportunidad tanto para la utilización de residuos como para usarla como fuente de
energía alternativa.
La primera etapa en el proceso de producción de etanol es la hidrólisis ácida, ésta primera parte es
clave debido a que es cuando se genera una porción importante de los azúcares fermentables, y
permite un acondicionamiento del material para una posterior hidrólisis enzimática con el fin de
extraer por completo los azúcares fermentables. El estudio de los procesos de hidrólisis y el
mejoramiento del mismo conlleva a una idea cada vez más tangible y viable de producir bioetanol
a partir de tusa de palma africana.
El principal objetivo de la presente investigación es determinar los parámetros cinéticos de
reacción de la hidrólisis ácida de tusa de palma africana para furfural, glucosa y xilosa. Con base en
dichos parámetros se puede construir un modelo de la cinética de reacción con el fin de predecir
las concentraciones de xilosa, glucosa y furfural generadas en el proceso de hidrólisis a diferentes
condiciones de operación dentro del rango estudiado.
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1. INTRODUCCIÓN
Los biocombustibles son combustibles de origen vegetal, que tienen como materia prima
productos o subproductos agrícolas [Beltrán, 2008]. Uno de los subproductos con más potencial
es el material lignocelulósico que es un componente principal de la biomasa terrestre y al ser un
producto renovable podría convertirse en una fuente inagotable no solo de energía sino también
de materia prima. Dicho material está constituido por celulosa, hemicelulosa, y lignina. La celulosa
siendo la biomolécula más abundante de la biomasa terrestre está formada por moléculas de
glucosa unidas por un enlace glicosídico de forma lineal. La hemicelulosa a diferencia de la
celulosa es un polisacárido compuesto por más de un tipo de monómero; dentro de los
monosacáridos que se encuentran en la cadena de ésta están la glucosa, galactosa, xilosa y la
fructosa, aunque la xilosa es la que se encuentra en mayor cantidad [Rahman et al, 2006]. La
lignina es la única fibra no polisacárido que se conoce y uno de los polímeros vegetales más
abundantes, es el resultado de la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos. [Eyzaguirre,
2006]
En Colombia se produce aproximadamente el 35.9% del aceite de palma que se produce en
América, y es el cuarto país que más exporta a nivel mundial [Fedepalma 2008]. Durante el
proceso de extracción de aceite de palma se producen tres tipos de residuos lignocelulósicos:
cuesco, tusa, y fibra. La tusa de los racimos es el residuo que está presente en mayor proporción.
Actualmente aproximadamente 14 millones de tusa son incinerados, limitando de esta manera
ciertos valores adicionales de la industria [Fedepalma, 2008], dde ahí la importancia de su uso en
la producción de bioetanol. Para poder usar las tusas es necesario un pre‐tratamiento, seguido por
una hidrólisis de la que se obtienen azúcares fermentables para poder producir biocombustibles.
Las condiciones a las cuales se lleva a cabo el proceso de hidrólisis determinan la cantidad de
azúcares fermentables y furfural que se produce.
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Se han hecho investigaciones sobre la hidrólisis ácida de varias materias primas como bagazo de
caña de azúcar, tusa de maíz, y madera de eucalipto entre otros [Domínguez et al, 1997; Garrote
et al, 2002; Lavarack B.P et al, 2002; Cara et al, 2005; Linde M et al, 2006; Öhgren et al, 2006]. En
estas investigaciones se ha encontrado que bajo ciertas condiciones de operación la hidrólisis
ácida de material lignocelulósico produce principalmente xilosa y glucosa a partir de la
hemicelulosa, manteniendo las fracciones de celulosa y lignina prácticamente intactas. En el
proceso de hidrólisis con ácido diluido a altas temperaturas éste penetra la capa protectora de
lignina e hidroliza el xilano para producir xilosa. En este proceso también se obtienen ciertos
subproductos como furfural, glucosa, y demás azúcares reductores. Es importante no tener
condiciones extremas, ya que se podrían obtener subproductos no deseados como furfural, o
cristalizar la estructura de la celulosa, haciendo imposible una hidrólisis enzimática posterior.
La cantidad de azúcar producido en la hidrólisis ácida depende tanto del tipo de materia prima
como de las condiciones de operación del proceso. Dentro de las variables más importantes en la
hidrólisis se encuentra la concentración de ácido y la temperatura de operación, y el tiempo de
reacción. De éstas variables depende la cantidad de azúcares liberados, y la descomposición de
éstos a subproductos.
El objetivo de la presente investigación es estudiar la hidrólisis ácida en el material lignocelulósico
de la tusa de palma africana con ácido sulfúrico a tres concentraciones (0,6%, 1,0%, y 1,4%) y bajo
tres temperaturas de operación (105°C, 115°C, y 125°C). Este estudio se basa en determinar los
parámetros de la cinética con el fin de predecir la producción de furfural, glucosa y demás
azúcares reductores. Se determinarán las mejores condiciones de operación.
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2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Determinar los parámetros de la cinética de reacción de la hidrólisis ácida de tusa de palma africana para furfural, glucosa, y demás azúcares reductores.
2.2 Objetivos Específicos
• Establecer la incidencia de los cambios de temperatura y concentración de ácido en la hidrólisis de tusa para la producción de furfural, glucosa y demás azúcares reductores.
• Determinar experimentalmente los perfiles de concentración para los diferentes productos.
• Determinar los parámetros cinéticos de la hidrólisis ácida con el fin de predecir la concentración de xilosa, glucosa y furfural en el hidrolizado resultante.
• Determinar las condiciones óptimas de operación para maximizar la cantidad de azúcares reductores y minimizar la cantidad de furfural obtenido durante la reacción.
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3. ESTADO DEL ARTE
3.1 Palma Africana
La palma de aceite es una planta tropical que crece en climas cálidos por debajo de los 500 metros
sobre el nivel del mar y a temperaturas de 25°C en condiciones óptimas. En 1932 se introdujo la
palma africana de aceite en Colombia con fines meramente ornamentales. El cultivo comercial
comenzó en 1945 cuando la United Fruit Company cultivó en la zona bananera del departamento
del Magdalena. Desde entonces la expansión del cultivo ha mantenido un crecimiento sostenido,
hasta ocupar 73 municipios del país. Colombia es el primer productor de palma de aceite en
América Latina y el cuarto en el mundo [Fedepalma, 2008].
La vida productiva de la palma de aceite el bastante larga, más de cincuenta años, pero desde los
veinte o veinticinco sus tallos alcanzan tal altura que la recolección de los frutos, por lo que ya no
son plantaciones comercialmente activas. La almendra y la pulpa de los frutos tienen gran
cantidad de aceite, de palmiste y de palma respectivamente [Fedepalma & Cenipalma, 2008].
El procesamiento de los frutos se lleva a cabo en una planta extractora donde se extrae el aceite
de palma crudo (de la pulpa) y el aceite de palmiste (de las almendras). El proceso de extracción
consiste principalmente en esterilizar los frutos, desgranarlos, macerarlos, extraer el aceite de la
pulpa, clarificarlo y recuperar las almendras del bagazo resultante. De las almendras se obtiene el
aceite de palmiste y la torta de palmiste, que se usa comúnmente para alimento animal
[Fedepalma, 2008].
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3.1.1 Residuos de la Producción de Aceite
De la producción de aceite de palma descrita anteriormente hay tres tipos de residuos: cuesco,
fibra y tusa. El cuesco es la almendra que contiene la semilla del fruto, éste residuo tiene una alto
valor calorífico por lo que se usa como combustible en calderas. La fibra es el residuo de la
extracción de aceite del fruto después de prensarlo, y es comúnmente utilizado para la producción
de enzimas por su alto contenido de lignina. La tusa, el residuo presente en mayor proporción es
el racimo sin frutos; actualmente se usa como fertilizante, como materia prima para la producción
de pulpa de papel, y más recientemente como materia prima para la producción de bioetanol.
De los tres residuos el que se encuentra en mayor proporción es la tusa. A continuación en la
figura 1 se pueden apreciar el orden en el que aparecen los residuos al igual que las proporciones
de los mismos.
Figura 1. Residuos proceso de extracción aceite de Palma. Tomado de Bernal, 2001
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3.2 Material Lignocelulósico
El material lignocelulósico es un componente principal de la biomasa terrestre y al ser un producto
renovable podría convertirse en una fuente inagotable no solo de energía sino también de materia
prima. Dicho material está constituido por celulosa, hemicelulosa, y lignina. La celulosa siendo la
biomolécula más abundante de la biomasa terrestre está formada por moléculas de glucosa
unidas por un enlace glicosídico de forma lineal. La hemicelulosa a diferencia de la celulosa es un
polisacárido compuesto por más de un tipo de monómero; dentro de los monosacáridos que se
encuentran en la cadena de ésta están la glucosa, galactosa, xilosa y la fructosa. La lignina es la
única fibra no polisacárido que se conoce y uno de los polímeros vegetales más abundantes, es el
resultado de la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos. [Eyzaguirre, 2006]
En la actualidad varias industrias tienen como subproductos biomasa con alto contenido de
material lignocelulósico. Dentro de estas industrias se encuentran principalmente la maderera,
caña de azúcar, maíz, y la industria bananera entre otras. Dichas industrias consideran la biomasa
ya nombrada como desecho y la dejan tirada en el piso, la botan a la basura o ríos aledaños.
[Montoya Rodríguez et al, 2007; Eyzaguirre, 2006; Campo et al, 2001]
3.2.1 Azúcares Reductores
Los carbohidratos son aldehídos o cetonas con múltiples grupos hidroxilo que se constituyen a
base de monosacáridos, de éstos los que están presentes en el material lignocelulósico son las
aldosas.
En general los carbohidratos pueden dividirse en reductores y no reductores. Los azúcares
reductores son los más comunes y tienen un grupo funcional aldehído o cetona libre o
potencialmente libre, en caso de existir en forma cíclica. Es por esta razón que tienen la capacidad
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de actuar como agentes reductores al oxidarse fácilmente a ácido carboxílico [Berg et al, 2008].
Esta propiedad se usa para detectar la cantidad de monosacáridos de este tipo presentes en una
muestra, el método más común es DNS.
Los azúcares reductores suelen relacionarse con los azúcares fermentables ya que con excepción
de la celobiosa y la lactosa todos los azúcares reductores se pueden fermentar [Delgado, 2001]. En
la figura 2 se puede apreciar la estructura molecular de las diferentes aldosas; los presentes en el
material lignocelulósico están en verde. La estructura en rosado es la estructura molecular de
glucosa, azúcar específico a trabajar en este estudio.
Figura 2. Estructura de Monosacáridos, aldosas.
3.3 Producción de Azúcares a partir de Material Lignocelulósico
Los principales azúcares presentes en el material lignocelulósico son glucosa, xilosa, arabinosa,
galactosa y manosa. Dependiendo de la procedencia, el porcentaje de los diferentes tipos de
azúcares en el material lignocelulósico varía. A continuación se encuentran dichos porcentajes,
dependiendo de la materia prima. Es importante notar que en el maíz los porcentajes dependen
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de la región, año y madurez de la cosecha [Öhgren et al, 2006]. En la tabla 1 se puede apreciar el
contenido de azúcares en el material lignocelulósico proveniente de diferentes fuentes.
FUENTE % ARABINOSA
% XILOSA % GLUCOSA
% MANOSA % GALACTOSA
CEBADA [Linde M et al, 2006]
5.3 ± 0.0 17.2 ± 0.7 36 ± 0.3 ‐ 2.2 ± 0.0
TALLOS DE ALGODÓN [Silverstein Rebecca A. et al, 2006]
1.3 8.3 31.1 ‐ 1.1
MADERA DE OLIVO [Cara Cristóbal et al, 2005]
1.9 ± 0.1 16.0 ± 0.4 32.4 ± 0.3 1.4 ± 0.0 1.0 ± 0.0
MADERA DE OLIVO [Cara Cristóbal et al, 2007]
2.4 ± 0.2 11.1 ± 0.6 25.0 ± 1.2 0.8 ± 0.2 1.5 ± 0.2
TUSA DE MAIZ [Öhgren et al, 2006]
3.5 21.4 36.1 1.8 2.5
TUSA DE MAIZ [Bengtsson Oskar et al, 2006]
0.95 ± 0.45 20.95 ± 1.75
42.8 ± 0.2 ‐ 3.1 ± 0.3
TUSA DE PALMA [Rahman S.H.A et al, 2006]
‐ 24.01 42.85 ‐ ‐
Tabla 1. Contenido de azúcares en material lignocelulósico
Para obtener éstos azúcares es necesario hidrolizar el material lignocelulósico. Dicha hidrólisis se
puede hacer por medio de diferentes procesos, usualmente se hacen en dos etapas: un pre‐
tratamiento constituido por procesos físicos y químicos, y un proceso biológico posterior. La
hidrólisis ácida se hace con ácido sulfúrico a altas temperaturas como pre‐tratamiento. Con esto
se busca dejar expuesta la celulosa para un ataque enzimático posterior, que facilite la producción
de glucosa. Los efectos más importantes de la hidrólisis ácida es romper los enlaces glicosídicos de
la hemicelulosa, reducir la cristalinidad de la celulosa y aumentar el área superficial [Sun et al,
2002].
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La hidrólisis ácida se realiza con ácido sulfúrico al ser el método más común debido a su bajo costo
y altos rendimientos, aunque se debe tener en cuenta que en la reacción se pueden producir
subproductos indeseables como furfural, que inhibe la fermentación de los azúcares. Las variables
más importantes en éste proceso son el tamaño de partícula de la tusa, la temperatura de
operación, la concentración de ácido sulfúrico, el tiempo de reacción y la proporción tusa – ácido.
De las anteriores, las que se evaluarán en éste proyecto son la temperatura de operación, la
concentración de ácido y el tiempo de reacción. La proporción tusa – ácido se mantendrá
constante, y el tamaño de la tusa es aleatorio, al tener molida la tusa y sacar de ésta
aleatoriamente para cada muestra.
3.4 Generalidades del Modelo Cinético de la Hidrólisis Ácida
Un modelo cinético es el método que se usa para predecir o explicar lo que sucede durante las
reacciones químicas, por lo que el modelo y los parámetros cinéticos son elementos claves en la
evaluación y operación de los procesos de hidrólisis de material lignocelulósico para la obtención
de azúcares fermentables para la producción de bioetanol. En general, una reacción química tiene
dos características principales: la posición en equilibrio y la velocidad de reacción. La velocidad de
reacción es la rapidez con la que se alcanza el estado de equilibrio, es decir qué tan rápido los
reactivos se transforman en productos.
La velocidad de una reacción química está dada por la cantidad de materia que se consume o se
produce por unidad de tiempo, por lo que ésta describe que tan rápido cambian las
concentraciones de los reactivos o los productos con el tiempo. Las diferentes reacciones
proceden a velocidades específicas para cada una. Estas velocidades dependen de la constante de
velocidad, que es específica de la reacción, de las concentraciones de los reactivos y del orden de
las mismas, que indica la dependencia de la velocidad de reacción a cada reactivo. El valor
numérico del orden de reacción con respecto a cada reactivo debe determinarse
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experimentalmente, ya que no puede deducirse teóricamente. La constante de velocidad se
relaciona con la temperatura por medio de la ecuación de Arrehnius (Ecuación 1)
k = A e ‐(Ea/RT) (1)
Donde k es el coeficiente cinético o la constante de velocidad específica, A es el factor pre
exponencial, una constante para una reacción en particular que tiene las mismas unidades de la
constante de velocidad, Ea es la energía de activación, propia de cada especie, y R es la constante
universal de los gases ideales cuyas unidades deben ser compatibles a las de la energía de
activación.
Existen varios modelos cinéticos para la hidrólisis ácida de material lignocelulósico reportados en
la literatura. Los principales productos de la hidrólisis ácida para la celulosa son celobiosa y
glucosa, y para la hemicelulosa es la xilosa. Los modelos propuestos por diferentes autores para la
hidrólisis ácida de hemicelulosa se originan en dos mecanismos principales [Rahman et al, 2006]:
1. El mecanismo asume que el polímero se convierte en oligosacárido antes de hidrolizarse a
monómero, y una hidrólisis posterior lo descompone a furfural en caso de tratarse de
pentosas.
2. El mecanismo no incluye la formación intermedia de oligosacáridos, en cambio, se asume
que el polímero reacciona hidrolizándose a monómero y luego a productos de
descomposición.
Según Rahman et al (2006) la precisión de los resultados finales entre los dos mecanismos
descritos anteriormente es la misma. Esta afirmación de Rahman et al (2006) se confirma con el
estudio de Lavarack et al (2002), en el que se comparan los diferentes mecanismos en la
producción de xilosa a partir de bagazo de caña de azúcar con diferentes temperaturas, tipos y
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concentraciones de ácido, tipos de bagazo y proporción sólido – líquido; los resultados son
favorables.
El modelo cinético busca describir la variación en el tiempo de los productos principales generados
en la hidrólisis. Debido a la dificultad de encontrar un mecanismo estricto para las reacciones de
hidrólisis es común usar modelos simplificados para determinar la hidrólisis de los materiales
lignocelulósicos [Aguilar, 2002]. Se han encontrado varios modelos en la literatura que en
proponen un modelo de pseudo‐primer orden irreversible homogéneo. El primer modelo exitoso
fue planteado por Saeman en 1945 [Aguilar et al, 2002]. El modelo planteado por Saeman en su
artículo “Kinetics of Wood Saccharification Hydrolysis of Cellulose and Decomposition of Sugars in
Dilute Acid at High Temperature” describe que la sacarificación de la celulosa presente en el
material lignocelulósico a partir de ácido sulfúrico. En esta investigación Saeman (1945) afirma que
la hidrólisis ácida en cuestión involucra dos reacciones principales: La hidrólisis a un azúcar
reductor, y la descomposición de éste (fig. 1); a su vez determina las constantes cinéticas con el fin
de demostrar la dependencia de la velocidad de reacción en la concentración de ácido y la
temperatura [Saeman, 1945].
Figura 3. Representación del modelo Cinético de Saeman.
Posteriormente éste modelo fue utilizado por varios investigadores para la hidrólisis de la fracción
de hemicelulosa presente en el material lignocelulósico. Cada estudio utilizó condiciones
diferentes, al igual que diferentes fuentes de hemicelulosa (tabla 2), lo que deja ver la eficiencia
del modelo simple utilizado por Saeman por lo que se puede generalizar como se muestra en la
figura 4, para aplicarse a otros homopolímeros.
Celulosa Glucosa Productos de descomposición
21
Fuente Temperatura Concentración
de Acido Otras Variaciones Compuestos
determinados Bagazo de Caña de Azúcar [Aguilar et al, 2002]
100°C 122°C 128°C
2%4% 6%
Tiempo: 0‐300min´Ácido: H2SO4
XilosaGlucosa
Ácido Acético Furfural
Paja [Gant et al, 1977]
121°C – 150°C 0,5%– 3,0% Tiempo < 40minÁcido: H2SO4
XilosaGlucosa Manosa
Sorgo [Tellez et al, 2002]
122°C 2%4% 6%
Tiempo < 300minÁcido: H2SO4
XilosaGlucosa
Ácido Acético Furfural
Tusa [Rahman et al, 2006]
120°C 2%4% 6%
Tiempo: 0‐100min´Ácido: H2SO4
XilosaGlucosa
Ácido Acético Furfural
Bagazo de Caña de Azúcar [Lavarack et al, 2002]
80°C – 200°C 0,25% ‐ 8% Tiempo: 10 ‐2000min Prop. sólido: líquido: 1:5 – 1:20 Ácido: HCl, H2SO4 Tipo de Bagazo: Bagazo y Bagacilo
XilosaGlucosa Arabinosa Furfural
Lignina soluble en ácido
Tusa de Maiz [Xubin et al, 2007]
100°C 2%4% 6%
Tiempo: 0 ‐ 300minÁcido: H2SO4
XilosaGlucosa Furfural
Madera de Eucalipto [Garrote et al, 2002]
100,5°C 115°C 125°C 135°C
0,5%1,0% 1,5% 2%
Tiempo:0 ‐ 540minÁcido: H2SO4
XilosaGlucosa
Ácido Acético Furfural
Abedul Americano [Maloney et al, 1984]
100°C – 170°C 0,04 – 0,18M Tiempo: 0 ‐ 1000minÁcido: H2SO4
Xilosa
Cascarilla de Sorgo [Vazquez et al, 2007]
134°C 2% ‐ 6% Tiempo:0 ‐ 300minÁcido: H3PO4
XilosaGlucosa Arabinosa
Ácido Acético Furfural
Tabla 2. Estudios basados en el modelo Saeman
En algunos casos es necesario modificar el modelo simplificado de Saeman, debido a que éste no
se ajusta adecuadamente a los datos. Ésta modificación consiste en incluir la existencia de dos
22
fracciones de hemicelulosa, una fácil de reaccionar y una que no lo es. Las fracciones se
representan en un parámetro α que representa la proporción entre las fracciones (g susceptibles
de reaccionar / g totales) en la materia prima. En general, el valor de α oscila entre 0,5‐1 g/g. El
parámetro α se multiplica por la concentración de monómero producido [Aguilar et al, 2002;
Maloney et al, 1984; Vázquez et al, 2006].
En la representación del modelo generalizado k1 y k2 son los coeficientes cinéticos de las
reacciones que producen el monómero y la descomposición del mismo, respectivamente. El
producto de la descomposición de pentosas es furfural, y de hexosas es hidroximetilfurfural.
Figura 4. Representación del modelo Cinético generalizado de Saeman.
El modelo que propone Rahman et al (2006) para xilosa, glucosa, furfural y ácido acético en
hidrólisis de tusa de palma africana con ácido sulfúrico está basado en reacciones de pseudo
primer orden irreversibles homogéneas como el de Saeman (1945). Con el fin de determinar de
qué modo dependen del tiempo las concentraciones de los diferentes compuestos generados en
un mecanismo como éste primero se deben determinar las ecuaciones de velocidad para cada
componente [Fogler, 1999]. A continuación se presenta la solución de la ecuación de velocidad
para la ecuación 2, que representa el modelo propuesto por Rahman et al (2006).
(2)
Donde k1 y k2 ya se han definido anteriormente, P representa el polímero, M el monómero y PD
los productos de descomposición. La ley de velocidad para un reactor por lotes a volumen
K2 k1 Polímero Monómero Productos de descomposición
K2 k1 P M PD
23
constante, y con un mecanismo como el descrito anteriormente; las velocidades de las reacciones
se representan en las ecuaciones 3 y 4. Donde rp es la velocidad de reacción del polímero presente
en la tusa, Cp la concentración del mismo, rm es la velocidad de reacción del monómero, Cm es la
concentración del monómero y t el tiempo. Es importante aclarar que en el estudio de Rahman et
al (2006) como en el de Xuebin et al (2008) y en el presente caso de estudio el polímero será
reemplazado por glucano y xilano, y el monómero se será reemplazado por glucosa, xilosa y
furfural.
Resolviendo las ecuaciones 3 y 4 por medio de la integración simple, y para las condiciones
iniciales, que se asumen como concentración cero en un tiempo cero se obtiene la expresión en la
ecuación 5.
Donde Cm y Cp son las concentraciones de monómero y polímero respectivamente expresadas en
g/L. El sub índice 0 indica que está en tiempo cero. K1 y k2 ya fueron definidas anteriormente, y t es
el tiempo. Para las diferentes cinéticas se resuelve asumiendo cero en algunos de los parámetros
anteriormente mencionados.
Los coeficientes cinéticos de las reacciones, k1 y k2 pueden correlacionarse con la temperatura
mediante la ecuación de Arrehnius, sin embargo es común modificar ésta ecuación en el fin de
modelar también el efecto de la concentración del ácido, por medio de las ecuación 6 para cada
coeficiente [Aguilar et al, 2002; Carrasco et al, 1992; Ranganathan et al, 1985]. Donde i puede
(3)
(4)
(5)
24
sustituirse por el número de la reacción a analizar, n, al igual que Ki son parámetros de la
regresión y A es la concentración de ácido en %W/W.
Para determinar las constantes (Ki) y la energía de activación de cada reacción (Ei) es necesario
primero conocer los coeficientes cinéticos de las reacciones. Existen diferentes métodos para
determinar los coeficientes cinéticos entre los cuales se encuentran el método diferencial,
integral, de vida media, de velocidades iniciales, por regresión lineal y no lineal. De los anteriores,
el método diferencial e integral son los que se usan principalmente para analizar reactores por
lotes, sin embargo, estos métodos no son aplicables en algunos casos en los que la velocidad de
reacción depende de más de una especie. Otra forma común de hallarlos es al solucionar una
ecuación no lineal por medio de métodos numéricos comúnmente usados en programas como
Matlab, Excel, Mathematica o Polymath.
Una vez conocidos los valores de los coeficientes cinéticos de la reacción (ki), los cuales fueron
determinados experimentalmente, se puede conocer la energía de activación Ei por medio de la
ecuación de Arrehnius. Es posible que se encuentren diferentes valores de energía de activación,
pero se espera que estos valores no tengan gran variabilidad. La energía de activación se asume
constante como el promedio de los resultados encontrados ya que su variabilidad es mínima. Las
ecuaciones 7 y 8 presentan la relación entre la ecuación de Arrehnius y la modificación de la
misma, lo cual permite encontrar la dependencia de la ley de velocidad a la temperatura y la
concentración de ácido [Garrote et al, 2002].
(6)
(7)
(8)
25
Donde el subíndice i representa la reacción, según sea el caso. Las otras variables fueron definidas anteriormente.
3.5 Análisis Lignocelulósico de la tusa
Se compararon los resultados reportados por Loboguerrero (2007), Díaz (2007), y Beltrán (2008)
sobre el contenido de material lignocelulósico en la tusa de palma africana proveniente del Meta
(tabla 3).
Fracción Principal
Beltrán* (%)
Loboguerrero (%)
Díaz (%)
Celulosa 49,52 NR** 46,77±5,39
Hemicelulosa 19,94 16,473±1,312 17,92±4,89
Lignina 15,5 23,471±1,802 4,15±0,53
Otros NR** NR** 31,16±4,55 *Muestras analizadas por Corpoica Tibaitatá, reportadas por Beltrán 2008
** NR significa No Reporta
Tabla 3. Composición de material lignocelulósico de tusa de Palma africana
A partir de la comparación entre los valores reportados anteriormente se determina realizar los
cálculos posteriores con base en los valores reportados por Beltrán (2008) cuyo análisis fue
realizado por Corpoica Tibaitatá.
A partir de la composición del material lignocelulósico se puede determinar la cantidad de
azúcares reductores presentes en la muestra, de manera tal que ésta es la base para encontrar el
rendimiento de la hidrólisis ácida a diferentes condiciones de operación.
26
4. MATERIALES Y METODOS
4.1 Materiales y Equipos
La tusa que se utilizó durante el proyecto era proveniente de un cultivo de palma del
departamento de Meta. Fue recibida después de un pre‐tratamiento de desinfección, secado,
molienda y tamizado. Para la hidrólisis ácida se empleó ácido sulfúrico al 0,6%, 1,0%, y 1,4%. De
éstas hidrólisis salen 126 muestras construidas a partir de las 3 concentraciones de ácido sulfúrico
a tres temperaturas y con siete tiempos de reacción, cada una con su réplica. Estas condiciones
fueron determinadas con base en estudios previos encontrados en la literatura para material
lignocelulósico proveniente de bagazo de caña de azúcar [Lavarack, 2002], de madera de
Eucalipto (Garrote et al, 2002) y de estudios en los que se utilizó tusa de palma africana como
Díaz (2007), Loboguerrero (2007), Rahman et al (2002).
Para la cuantificación de los azúcares se utilizó un Kit de glucosa marca BioSystems y DNS (3,5
ácido Dinitrosalicilico). Para la cuantificación de furfural se utilizó una solución madre hecha por
Beltrán (2008) quien la había preparado con 100mg en 1L de etanol, también se utilizó anilina
incolora, ácido acético glacial y etanol.
Los equipos utilizados fueron un espectrofotómetro Genesys 6 de UV visible, filtro al vacío,
Vortex, autoclave AC‐48 marca New Brunswick Scientific y centrifuga.
4.2 Diseño Experimental
La experimentación para la determinación de parámetros cinéticos se dividió en dos etapas.
Primero se realizó la hidrólisis ácida de la tusa con ácido sulfúrico a diferentes condiciones. A
27
partir de ésta primera etapa nace la segunda, la cuantificación de los azúcares reductores, la
glucosa y el furfural producidos por la hidrólisis. Con esto se pueden evaluar las diferentes
condiciones de hidrólisis, cuál es la mejor de acuerdo a los resultados de la cuantificación. En cada
muestra se cuantificó furfural, glucosa y demás azúcares reductores.
Una vez terminada la experimentación se procede a analizar los resultados con base en las
predicciones teóricas.
Figura 5. Metodología Experimental
4.3 Métodos
4.3.1 Hidrólisis ácida
La hidrólisis ácida se hizo teniendo en cuenta la relación de 5gr de tusa por cada 100mL de ácido
sulfúrico, la cual se mantuvo constante en todos los experimentos. Se manejaron tres
concentraciones de ácido sulfúrico: 0,6%, 1,0%, y 1,4% [Díaz, 2007]. Una vez añadido el ácido a la
tusa seca, se agita hasta obtener una humedad relativamente uniforme en la tusa. Con el fin de
llevar a cabo la reacción se autoclavan las mezclas en frascos Schott tapa azul, que resisten hasta
140°C. Esto se hace a 105, 115 y 125°C. El tiempo de reacción en el autoclave va a variar de 0 a
28
60min, cada 10min. Para cada condición se cuantifican azúcares reductores, glucosa y furfural. Se
hará una réplica para cada condición obteniendo el siguiente diseño 32:
105°C 115°C 125°C
0,6%
0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min
1%
0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min
1,4%
0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 0min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 10min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 20min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 30min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 40min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 50min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min 60min
Tabla 4. Diseño experimental de la hidrólisis ácida de tusa seca.
4.3.2 Cuantificación de Furfural
Se determinó la cantidad de furfural en las muestras de acuerdo a una aproximación a la Norma
Técnica Colombiana NTC 269 [ICONTEC, 2007]. Se modificó la norma como lo hizo Beltrán (2008)
ya que ésta está diseñada para determinar el furfural en las bebidas alcohólicas. Para cuantificar
el furfural fue necesario hacer una curva de calibración. Ésta se construye con 8 diluciones a partir
de una solución madre hecha por Beltrán (2008). La solución madre contiene 100mg de furfural
en 1L de etanol al 50%. A cada 5mL de dilución se le añaden 0,2mL de anilina incolora y 0,2mL de
ácido acético glacial. Se agita en el vortex, se lleva a 15°C durante 5 minutos (máxima coloración)
y posteriormente se lee la absorbancia de éstas diluciones a 510nm.
29
El procedimiento no es complejo, pero debido a la alta toxicidad de las sustancias utilizadas es
importante usar todo el equipo de seguridad, que incluye careta, cámara de extracción, bata y
guantes de nitrilo.
Las muestras se centrifugan con el fin de eliminar cualquier traza de tusa que haya quedado
después del filtrado. Una vez centrifugada la muestra se toman 500µL, a los que se les agregan
500µL de etanol, 40µL de anilina incolora y 40µL de ácido acético glacial. Se agita en el vortex, se
lleva a 15°C durante 5 min, y se lee en el espectrofotómetro a 510nm. Con base en ésta lectura, y
la curva de calibración se estima la cantidad de furfural en la muestra en %p/v (g/L).
El procedimiento detallado se encuentra en el anexo 1
4.3.2 Cuantificación de Glucosa
Al igual que con la cuantificación de azúcares reductores, para la cuantificación de glucosa se debe
hacer una curva de calibración del kit. Para realizar esta curva de calibración se preparan 6
soluciones de glucosa a concentraciones conocidas. Se toma 1mL de reactivo A del kit a
temperatura ambiente y se agregan 10µL de la muestra, se agita y se deja reaccionar durante 20
min. Se lee la absorbancia a 500nm con espectro UV visible. El blanco para esta prueba está hecho
por 10µL de agua destilada y 1mL de reactivo A.
En las muestras la cuantificación de glucosa se hace de la misma manera, la diferencia radica en
que los 10µL son de muestra con concentración desconocida. Se mide la absorbancia a 500nm y
con base en esto se encuentra la concentración de glucosa en la curva de calibración.
El procedimiento detallado se encuentra en el anexo 2.
30
4.3.3 Cuantificación de Azúcares Reductores
Para poder cuantificar con certeza los azúcares reductores es necesario hacer primero una curva
de calibración. Ésta se hace con 6 diferentes soluciones de glucosa y agua, a concentraciones
conocidas. A 2mL de éstas soluciones se les agrega 5mL de DNS, se agita con el Vortex y se lleva al
baño de maría a ebullición durante 15min. Se dejan enfriar, una vez están a temperatura
ambiente se llevan al espectrofotómetro y se lee la absorbancia a 600nm. El blanco para esta
lectura son 2mL de agua destilada con 5mL de DNS.
Una vez se tiene la curva de calibración se mide la absorbancia de las muestras preparadas de la
misma manera, se ubican en la curva de calibración y así se encuentra la cantidad de azúcares
reductores presentes en la muestra.
El procedimiento detallado se encuentra en el anexo 3.
4.3.4 Modelos Cinéticos
En el presente estudio se evaluará el efecto de la temperatura, tiempo y concentración de ácido,
los demás factores permanecerán constantes.
4.3.4.1 Supuestos del Modelo
El modelo que se propone está basado en el mecanismo simplificado que plantea Saeman (1945).
Éste es un modelo de pseudo homogéneo de primer orden e irreversible para la hidrólisis de tusa
con H2SO4. Los rendimientos de cada producto se miden con base en la cantidad inicial de xilano
(determinada por la caracterización de material), y la concentración potencial de furfural y de
glucosa.
31
Es importante notar que se modela la hidrólisis de tusa a partir de los polímeros presentes en la
hemicelulosa y la celulosa, de manera tal que se asume que toda la hemicelulosa es xilano. Esta
suposición se hace con base en la explicación dada por Ebringerová et al (2005) donde se enuncian
cuatro tipos diferentes de hemicelulosas:
1. Xilanos
2. Mananos
3. Β‐Glucanos con diferentes mezclas
4. Xiloglucanos.
Cada uno de estos tipos de hemicelulosa se encuentra típicamente en ciertas fuentes de material
lignocelulósico. En el caso específico de la palma africana se puede clasificar en el cuarto grupo, el
de los xiloglucanos. De allí que la hemicelulosa presente en la tusa de palma africana tenga xilano
y glucano. Sin embargo, en ésta misma investigación se menciona que del 60 al 75% de la
hemicelulosa es xilano para las plantas de la división de Magnoliophyta a la cual pertenece la
palma africana. De manera similar se reportan porcentajes de xilano en la hemicelulosa para
material lignocelulósico proveniente de diferentes fuentes. Balat et al (2008) reporta el 78,5% de
xilano en hemicelulosa para madera dura del acacia de flor blanca, el 82,1% para madera
proveniente de eucaliptus, el 83,7% para material lignocelulósico proveniente del angiospermas
pasto. A su vez, Cara et al (2008) reporta el 70,3% de hemicelulosa como xilano en madera de
olivos.
Para el mecanismo propuesto de furfural se toma como base el propuesto por Rahman et al
(2008), donde se tiene en cuenta que no toda la xilosa se convierte a furfural, pero como el
rendimiento de la reacción no se conoce, es necesario determinar la cantidad potencial de furfural
(o la xilosa que se degrada) como un parámetro de regresión. Lo mismo sucede con la cantidad de
glucano convertida a glucosa. Esta cantidad no es conocida por lo que se toma como la cantidad
potencial de glucosa, y es un parámetro de regresión [Rahman et al 2006].
32
Se asume que la glucosa no se degrada a hidroximetilfurfural (HMF) ya que las condiciones de
operación estudiadas no son lo suficientemente severas como para degradar la glucosa. Esto se
asume ya que en la literatura no se ha encontrado producción de HMF a temperaturas similares
(100, 111, 128, 120, 134°C) a las estudiadas y a concentraciones mayores de ácido (2%, 4%, 6%)
[Rahman et al, 2006; Lavarack et al, 2002; Aguilar et al, 2002; Tellez et al, 2001; Xuebin et al, 2007;
Vazquez et al, 2006]. Otra suposición bajo la cual se plantean los mecanismos cinéticos es que en
el tiempo cero la concentración inicial de furfural, glucosa y xilosa es cero.
4.3.4.2 Modelo Cinético Propuesto
Con base en los supuestos presentados anteriormente, y teniendo en cuenta que la hidrólisis de
tusa se modela a partir de los polímeros presentes en la hemicelulosa y celulosa, de manera tal
que se pueden representar como se muestra en la figura 4:
Figura 6. Reacciones de hidrólisis ácida de tusa con H2SO4.
Donde k1, k2, k3 y k4 son los coeficientes cinéticos de las reacciones que producen y consumen
xilosa, producción de furfural y glucosa respectivamente; estas constantes tienen unidades de
min‐1 cuando las reacciones son de primer orden. Con el fin de determinar cómo dependen del
tiempo las concentraciones de los tres compuestos en cuestión, es necesario determinar las
velocidades de reacción por medio de la ley de velocidad y un balance de moles para cada
componente [Fogler, 1999]. Se deben tener en cuenta todas las reacciones en las que se involucra
cada compuesto.
Xilosa Furfural k3
Glucano Glucosa k4
k1 Xilosa Furfural
k2 Xilano
33
La Velocidad de reacción de Xilosa está conformada por dos reacciones en serie, la producción de
xilosa a partir de xilano, y por el consumo de xilosa para producir furfural. El mecanismo de
reacción propuesto está basado en el modelo de Saeman por medio de una ley de velocidad de
pseudo – primer orden irreversible homogénea representada en la ecuación 9, donde rx es la
velocidad neta de xilosa en la reacción, lo que implica la diferencia entre la velocidad a la que se
produce xilosa a partir de xilano y la velocidad a la que se consume xilosa para producir furfural.
Donde k1, y k2 ya fueron definidas, CXL es la concentración inicial de xilano y Cx es la concentración
de xilosa.
Asumiendo que la concentración del polímero xilano se convierte completamente a xilosa
despreciando la formación de cualquier producto de descomposición, CXL se puede representar
por medio de la cantidad equivalente de xilosa por medio de la ecuación 10. (Rahman et al, 2006).
Donde CXL ya fue definida, 150/132 es la proporción del factor estequiométrico de la reacción, Xno
es la cantidad inicial de xilano presente en la tusa, en base seca (23,1g xilano /100g tusa), y PLS es
la proporción líquido–sólido utilizada (20g ácido/g tusa).
La Velocidad de reacción de Furfural está dada por el consumo de xilosa únicamente. La ley de
velocidad propuesta, de primer orden irreversible homogénea está dada por la ecuación 11,
donde k3 ya fue definida, Cxf es la concentración de xilosa que se convierte a furfural, y rf es la
velocidad de producción de furfural, y dado que éste no reacciona con ningún otro compuesto
esta expresión es la más sencilla. En este mecanismo propuesto por Rahman (2006) la
concentración de xilosa que se convierte a furfural se toma como un parámetro desconocido, ya
(10)
(9)
(10)
34
que no toda la xilosa se convierte a furfural y no se conoce el rendimiento de ésta reacción no se
puede tomar la concentración de xilosa resultante de la reacción en serie.
La Velocidad de reacción de Glucosa está dada solamente por la producción de la misma, ya que
éste compuesto no se alcanza a degradar en las condiciones de operación. Según el modelo
propuesto, la ley de velocidad es de primer orden, homogénea e irreversible. Esta ley se
representa en la ecuación 12, donde k4 es el coeficiente cinético, rg es la velocidad de producción
de glucosa, y dado que ésta no reacciona con ningún otro compuesto es la expresión más sencilla.
CGL es la concentración de glucano inicial que puede expresarse como la concentración potencial
de glucosa.
Con el fin de obtener una ecuación en la que se relacionen los datos experimentales,
concentración y tiempo es necesario igualar la ley de velocidad al balance de moles para un
reactor batch. En la ecuación 13 se puede ver el balance de moles genera, donde t representa el
tiempo, el subíndice i puede ser reemplazado por XL, GL, o X, según sea el caso; y el subíndice j
puede ser reemplazado por 1, 2 o 3, dependiendo del coeficiente al cual se haga referencia. Las
ecuaciones 14, 15, y 16 evidencian la igualdad mencionada anteriormente para la xilosa, el
furfural, y la glucosa respectivamente. A partir de estas ecuaciones se puede determinar la
correlación entre la concentración y el tiempo (t) por medio de integración
(12)
(13)
(14)
(11)
35
(17)
La integración de las ecuaciones 14, 15, y 16 se hizo por métodos simples a partir del valor inicial
que se indica por el subíndice 0. El resultado de dichas integrales se expresa como una relación en
la que la concentración del compuesto de interés está en función del tiempo. Con fin de
simplificar cálculos futuros sobre la reacción de furfural y glucosa se hace un balance de moles en
cada reacción permitiendo encontrar una relación entre los moles potenciales de cada especie y la
reacción en función del tiempo. Los resultados de las integrales y de la relación de éstas con el
balance de moles se presenta en las ecuaciones 17, 18 y 19, donde las únicas variables que no han
sido definidas con anterioridad son Cfo y Cgo que son las concentraciones potenciales de furfural y
glucosa respectivamente.
A partir de las funciones que relacionan la concentración de los diferentes compuestos con el
tiempo, y los datos experimentales se determinan los coeficientes cinéticos k1, k2, k3, y k4 los
cuales se determinan por medio de la solución de ecuaciones no lineales hallada a través del
método de newton en un algoritmo de optimización comercial cuya rutina se basa en el método
de Newton (Solver, Microsoft Excel) [Aguilar et al, 2002]. La rutina empleada por dicha
herramienta busca minimizar el error entre los datos experimentales y el modelo de Saeman
(15)
(16)
(18)
(19)
36
(1945), determinando los valores de los coeficientes cinéticos óptimos. Una vez encontrados los
coeficientes cinéticos y las concentraciones potenciales tanto de furfural como de glucosa se
obtienen los parámetros de cada reacción a una temperatura y concentración de ácido
determinada.
Una vez determinados los parámetros cinéticos se pueden correlacionar con la temperatura por
medio de la solución de regresiones no lineales basadas en la ecuación de Arrehnius, a partir de
las cuales se determina la Energía de Activación y el factor pre‐exponencial. Una vez encontrado el
factor pre‐exponencial, a este se le hace una correlación con la concentración de ácido por medio
de la ecuación 8 determinando de esta forma los parámetros n y Ki, los cuales a su vez
correlacionan la concentración de ácido con la ecuación de Arrehnius y por ende con la velocidad
de reacción.
El cuadro a continuación muestra a manera de resumen lo explicado en el aparte 4.3.4.2.
Tabla 5. Resumen de los mecanismos de reacción utilizados.
(17)
(18)
(19)
*
* Todos los mecanismos son tomados de Rahman et al ( 2006).
37
(20)
(21)
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se estudia el efecto de diferentes condiciones de operación en la producción de xilosa, furfural, y
glucosa durante la hidrólisis de tusa de palma africana. Se analizó la concentración de cada uno de
los productos mencionados anteriormente, con base en estos resultados se comprobó el efecto de
los factores y su interacción a través de un análisis de varianza de tres factores.
5.1 Curvas de Calibración de Métodos Espectrofotométricos
Los hidrolizados fueron obtenidos usando H2SO4 a diferentes concentraciones (0,6%, 1,0%, 1,4%) y
a tres temperaturas de operación diferentes (105°C, 115°C, y 125°C). Para determinar las
concentraciones de xilosa, furfural y glucosa fue necesario hacer una curva de calibración para
cada método. Las curvas de calibración se realizaron por triplicado con el fin de hacerlas más
confiables.
De esta manera los cálculos para determinar la concentración de azúcares reductores presente en
la muestra se hace reemplazando la absorbancia obtenida a 600nm en la curva de calibración
(ecuación 20 y 21). Se tienen dos curvas de calibración porque en medio de la experimentación se
acabo el reactivo, y es importante tener una curva de calibración para cada reactivo con el fin de
minimizar los errores experimentales y de cálculos para los resultados finales.
R2=0,9937
R2=0,9958
38
(22)
Donde CAR‐I y CAR.II es la concentración en gramos por litro de azúcares reductores del primer y
segundo reactivo respectivamente, y a es la absorbancia medida a 600nm. En la gráfica 1 se
pueden apreciar las curvas de calibración. Es importante observar que a partir de una absorbancia
de 2 se pierde la linealidad, por lo que no es recomendable medir sobre éste valor.
Gráfica 1. Curva de Calibración de DNS. Valores promedio de tres réplicas.
La concentración de furfural se determina por medio de la norma técnica colombiana NTC 269. Al
igual que para el DNS, para el procedimiento se realizó una curva de calibración teniendo en
cuenta que para cada medición se utilizaran los mismos reactivos. La curva de calibración se
realizó a partir de ocho diluciones, la curva resultante (ecuación 22) es el promedio de tres réplicas
con el mismo procedimiento.
R2=0,9859
Donde Cf es la concentración de furfural, y a es la absorbancia medida a 510nm. Es importante
recordar que el tiempo en la medición de furfural es vital ya que se debe leer la absorbancia
39
(23)
(24)
cuando se alcanza la máxima coloración a los 5 minutos. A continuación en la gráfica 2 se puede
observar la curva de calibración resultante del promedio de las tres réplicas.
Gráfica 2. Curva de Calibración de NTC‐269. Valores promedio de tres réplicas.
La concentración de glucosa se midió por el kit de glucosa, la absorbancia se mide a 500nm
después de 20 minutos de reacción. Se realizaron dos curvas de calibración, una para cada lote de
kit de glucosa utilizado. La curva de calibración obtenida por triplicado para cada lote se muestra a
continuación:
R2=0,9974
R2=0,9986
Donde CG‐I y CG‐II es la concentración en gramos por litro del primer lote y segundo lote usado de
kit de glucosa respectivamente, y a es la absorbancia medida a 500nm. El valor resultante al
40
reemplazar la absorbancia en esta curva es el que se le resta a la cantidad total de azúcares
reductores. Las curvas de calibración determinadas se presentan a continuación en el gráfico 3.
Gráfica 3. Curva de Calibración de NTC‐269. Valores promedio de tres réplicas.
5.2 Hidrólisis ácida de Tusa de palma Africana
En las gráficas 4, 5, y 6 se pueden apreciar los perfiles de concentraciones de xilosa (que es
expresada como la diferencia entre la concentración de azúcares reductores y la concentración de
glucosa), furfural y glucosa obtenidos a las diferentes condiciones de operación.
Se asume que la mayor cantidad de hemicelulosa es xilano, polímero de xilosa. Esta suposición se
hace para poder calcular la cantidad potencial de xilosa en la muestra. Los cálculos también se
basan en la suposición de que todo el xilano se convierte a xilosa, siendo posible encontrar la
41
cantidad de polímero inicial Po, que puede representarse como la cantidad equivalente de xilosa
por medio de la siguiente ecuación:
LgCPLS
Xop
x /3295,111000132
150=⋅= ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
⋅
Donde XPo es la cantidad de xilano presente en la tusa en base seca, que se asume como 19,94
gramos de xilano por 100 gramos de tusa. 150/132 es el factor estequiométrico de la hidrólisis y
PSL es la proporción líquido‐ sólido, que en este caso es de 20 gramos de ácido diluido por cada
5gramos de tusa.
Para la proporción líquido‐sólido utilizada la concentración potencial de xilosa era de 11,3295 g/L.
El análisis del hidrolizado mostró que la mayor concentración de xilosa obtenida fue de 10,179g/L,
cuando la concentración de ácido era de 1,4%, a 125°C y 30min, lo cual corresponde a más del
89% de la concentración potencial. Y la menor cantidad de xilosa producida durante la hidrólisis
después de 30 minutos de reacción fue de 4,16g/L a 105°C y con una concentración de ácido de
0,6%; es decir que la mayor concentración de ácido fue más del doble a un mismo tiempo de
reacción.
En la grafica 4 se observan los perfiles de concentración de xilosa, allí se puede apreciar que la
concentración de xilosa incrementa relativamente rápido durante los primeros 25 minutos, y sigue
una trayectoria esperada por una reacción de primer orden. Según Lavarack (2002) este primer
periodo representa el consumo de la fracción de xilano fácil de hidrolizar. Se observó que la
concentración de xilosa alcanza un valor máximo y después empieza a decrecer en el tiempo
durante las pruebas a 115°C y 125°C. Esto sugiere que la reacción en serie es responsable de la
indeseable descomposición de xilosa a furfural.
(10)
42
Gráfica 4. Dependencia experimental y del modelo de la concentración de xilosa en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas de hidrólisis ácida de tusa con H2SO4.
En cuanto a los rendimientos se encuentra una fuerte tendencia a aumentar el máximo
rendimiento conforme aumenta la concentración de ácido para una misma temperatura. A su vez
se puede observar que el tiempo al que se alcanza el máximo es menor a mayor concentración del
ácido para 115°C, y 125°C, aunque es más evidente la disminución en el tiempo para una misma
concentración de ácido al aumentar la temperatura. Al mismo tiempo existe una tendencia a
aumentar el rendimiento máximo con la temperatura para una misma concentración de ácido
(tabla 6). Esto se puede deber a que la temperatura es el factor que afecta la degradación de los
azúcares, en cambio la concentración de ácido es el factor que influye en la liberación de azúcares.
Es importante notar que a 115°C el cambio en el rendimiento entre 1,0% y 1,4% no es
significativamente diferente (0,4%) lo que puede llevar a descartar el uso de concentraciones de
ácido mayores, ya que a más concentración de ácido probablemente no se van a obtener
rendimientos significativamente mayores, tanto que ameriten el costo extra del ácido.
105°C 115°C
125°C
43
CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO
TEMPERATURA
105°C 115°C 125°C
0,6% 58,99%
(60min)
77,99%
(60min)
80,55%
(50min)
1,0% 77,94%
(60min)
87,01%
(50min)
83,75%
(30min)
1,4% 86,15%
(60min)
87,41%
(40min)
85,56%
(20min)
Tabla 6. Máximos rendimientos de Xilosa
Gráfica 5. Dependencia experimental y del modelo de la concentración de furfural en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas de hidrólisis ácida de tusa con H2SO4.
105°C 115°C
125°C
44
La producción de furfural se da por la degradación de pentosas como la xilosa. En la gráfica 5 se
muestra el perfil de concentración de furfural en el tiempo. Se puede ver cómo la concentración
de éste compuesto aumenta con el tiempo de reacción al igual que con la concentración de ácido
sulfúrico. La concentración más alta de furfural obtenida fue de 0,6205g/L en la prueba hecha a
125°C, 1,4% y con un tiempo de reacción de 60min. En contraparte, la mínima concentración
alcanzada en ese mismo tiempo de reacción es aproximadamente 100 veces menor, con un valor
de 0,0035g/L a 105°C y con una concentración de ácido de 0,6%. Al ser el furfural un producto de
la degradación de xilosa en la hidrólisis ácida, y que su concentración aumente en el tiempo
corrobora las razones expuestas sobre la disminución en la concentración de xilosa después de un
tiempo determinado.
El furfural es un inhibidor de la fermentación, ya que es extremadamente toxico [Larsson et al,
1999]. Es por esta razón que no es relevante buscar el rendimiento de furfural, sin embargo se
buscó comparar los datos con los presentados en la literatura para condiciones similares de
operación. Ésta comparación se presenta en la tabla 7 encontrando que se obtuvo un rendimiento
menor a los reportados en la literatura, lo cual puede depender del tiempo de reacción al que se
obtuvo, al igual que las condiciones de operación, los equipos utilizados, y el tipo de material.
Estos resultados son satisfactorios, ya que al ser el furfural un inhibidor de la fermentación se
busca tener la menor concentración posible de éste compuesto, y se logró obtener un rendimiento
menor de furfural que los reportados en la literatura.
Material Lignocelulósico
Autor RendimientoFurfural (%)
Tiempo(min)
[ácido] Temperatura
°C Tusa de Palma
Africana Camacho 2009 23.1% 60 1,4% 125°C
Tusa de Palma Africana
Rahman et al 2006 64.9% 90 6% 120°C
Bagazo de caña de azúcar
Aguilar et al 2002 104.3% 300 6% 128°C
Tabla 7. Máximos rendimientos de furfural
45
En términos generales se puede decir que la temperatura influye más que la concentración de
ácido en la producción de furfural, ya que la temperatura determina la degradación de los
azúcares, y la concentración de ácido la cantidad de azúcares liberados [Rahman et al, 2006;
Lavarack et al, 2002].
Gráfica 6. Dependencia experimental y del modelo de la concentración de glucosa en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas.
Durante el proceso de hidrólisis ácida de tusa de palma africana se obtiene glucosa como producto
secundario, al hidrolizarse el glucano presente tanto en la hemicelulosa como en la celulosa.
Aunque se debe aclarar que la presencia de glucano comparada con la de xilano en la
hemicelulosa es mínima. Ya que el glucano está presente tanto en la hemicelulosa como en la
105°C 115°C
125°C
46
celulosa y éste no se degrada a la misma velocidad en las dos fracciones del material
lignocelulósico no es posible determinar la cantidad de glucano inicial. En la gráfica 6 se puede
apreciar la concentración de glucosa obtenida en función del tiempo para las diferentes
condiciones de operación. Cuando se realizaron pruebas a 125°C y 1,45 se encontró que a 60min
se produce la cantidad máxima de glucosa, 0,688g/L. Para ese mismo tiempo de reacción la menor
cantidad de glucosa liberada fue de 0,1350g/L a 105°C y ácido sulfúrico al 0,6%. Es probable que si
se hubieran realizado las pruebas a tiempos mayores se hubieran encontrado concentraciones de
glucosa más altas, ya que con el tiempo se puede llegar a degradar más celulosa.
Los rendimientos de glucosa muestran un comportamiento similar a los rendimientos de xilosa,
para una misma concentración de ácido el rendimiento aumenta conforme aumenta la
temperatura. Al igual que para una misma temperatura el rendimiento máximo es mayor y se
alcanza en un tiempo menor. Es importante notar que hay un comportamiento inesperado a
115°C, lo que puede deberse a errores experimentales (tabla 8). Al mismo tiempo se encuentra
que el aumento en el rendimiento de la producción de glucosa entre 115°C y 125°C no es tan alto
como el aumento en el rendimiento a 105°C y a 115°C. Esto puede deberse a lo discutido
anteriormente, que la temperatura afecta la degradación de los azúcares, más que la liberación de
los mismos.
CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO
TEMPERATURA 105°C 115°C 125°C
0,6% 56,04% (60min)
88,00% (60min)
98,17% (50min)
1,0% 73,50% (60min)
87,01% (50min)
99,16% (50min)
1,4% 83,06% (60min)
87,41% (40min)
101,22% (60min)
Tabla 8. Máximos rendimientos de glucosa
47
5.3 Modelo cinético para la concentración de xilosa
Como se pudo observar en los resultados de las gráficas 4‐6 la xilosa fue el producto principal de la
hidrólisis ácida de tusa de palma africana. Con el fin de aplicar el modelo propuesto anteriormente
se realizó un ajuste al solucionar una regresión no lineal de manera independiente cada set de
datos. Este ajuste se realizó por medio de rutinas de optimización comerciales como lo son solver
cuyo proveedor es Excel office, y lsqcurvefit de Matlab 7.0 (ver anexo 4). Las rutinas de
optimización se basaban en minimizar la suma de cuadrados de la desviación entre los datos
experimentales y los calculados por el modelo mediante el método de Newton y variando los
parámetros de regresión (k1 y k2). Es importante resaltar que se realizaron los ajustes por medio de
los dos programas mencionados anteriormente, obteniendo los mismos resultados en las cuatro
primeras cifras significativas. La tabla 9 muestra los parámetros cinéticos y estadísticos del ajuste
mencionado anteriormente. El parámetro estadístico R2 corrobora que el modelo de Saeman se
ajusta bien a los datos.
Parámetro 0,6% H2SO4 105°C 115°C 125°C
1,0% H2SO4
105°C 115°C 125°C 1,4% H2SO4
105°C 115°C 125°C X I L O S A
k1 (min‐1)
0,0154 0,0309 0,0548 0,0280 0,0555 0,1108 0,0407 0,0806 0,1583
k2 (min‐1)
0,0008 0,0021 0,0044 0,0011 0,0028 0,0063 0,0012 0,0031 0,0076
R2 0,9828 0,9912 0,9956 0,9911 0,9981 0,9873 0,9894 0,9974 0,9840
Tabla 9. Parámetros cinéticos y estadísticos para xilosa a diferentes condiciones de operación
Al analizar los parámetros k1 y k2, se puede observar que los coeficientes cinéticos de la reacción
de producción de xilosa son diez veces mayor que los coeficientes cinéticos de la degradación de
ésta. En general, los valores de los coeficientes cinéticos incrementan con la temperatura de
operación y con la concentración de ácido. Por estas razones se hace evidente que se necesita un
tiempo de reacción más corto para obtener la máxima cantidad de xilosa liberada cuando la
concentración de ácido es mayor.
48
Como se pudo observar en la tabla 9, los parámetros cinéticos varían con la temperatura de una
manera drástica e importante. Es por esta razón que los coeficientes cinéticos pueden
correlacionarse con la temperatura por medio de la ecuación de Arrehnius, por lo que se realizó el
ajuste de k para cada concentración de ácido sulfúrico (0,6%, 1,0%, y 1,4%) determinando la
energía de activación (Ea) y el factor pre‐exponencial (Ai) para cada uno. Los valores resultantes se
presentan en la tabla 10.
[ácido] Ai
k1 k2 Ea (kJ/mol)
k1 k2
X I L O S A
0,6% 2,91 E +09 1,46E+12 81,6 110,5
1,0% 6,74E+09 4,20 E+12 82,3 112,9
1,4% 1,36E+10 1,60E+13 83,4 115,4
Tabla 10. Parámetros obtenidos para la correlación de la temperatura por medio de la ecuación de Arrehnius
Tomando los valores promedio de la energía de activación (Ea1=82,4540kJ/mol y
Ea2=112,9451kJ/mol) se encuentra que son similares a los reportados por Lavarack et al (2002), y
Aguilar et al (2002) para material lignocelulósico proveniente de bagazo de caña de azúcar (tabla
11). En este caso es importante aclarar que la similitud entre los parámetros determinados y los
parámetros reportados en la literatura no es más que en el orden de magnitud, esto se debe
principalmente a que la composición del material lignocelulósico puede variar de manera
importante, al igual que los métodos utilizados en cada investigación le pueden añadir un poco
más de error en algunos casos. Los valores de Ai no se pueden comparar con otros valores
presentes en la literatura, ya que estos varían significativamente dependiendo de la procedencia
del material lignocelulósico, según Ranganathan et al (1985) esto se puede deber a que la
estructura en la composición del material puede neutralizar el ácido.
49
Material Lignocelulósico Ea* (kJ/mol)
k1 k2
Bagazo de Caña de Azúcar[Lavarack et al, 2002] 82,8 118,9
Bagazo de Caña de Azúcar[Aguilar et al, 2002]
98,8 NR**
Tusa de Palma Africana[Camacho, 2008]
82,5 112,9
*Energía de Activación Promedio ** NR : No Reporta
Tabla 11. Parámetros obtenidos para la correlación de la temperatura por medio de la ecuación de Arrehnius
A partir de los valores Ai encontrados anteriormente y aplicando un análisis de regresión no lineal
por medio del método de Newton aplicado en la rutina de optimización de solver (Excel, 2008) y
lqscurvefit (Matlab 7.0) al modelo de la ecuación 6 se obtiene la correlación del parámetro
cinético ki con la temperatura y la concentración del ácido, cuyos parámetros se muestran en la
tabla 12. Allí se puede apreciar que los datos se ajustan bien al modelo en cuanto a la producción
de xilosa, ya que el valor de R2 es alto, sin embargo el ajuste del coeficiente cinético para la
descomposición de xilosa no muestra un buen ajuste. Esto se puede deber principalmente a que
los valore de k2 son muy pequeños, por lo que se hace más difícil diferenciar entre un mínimo
local y uno global, de esta manera al minimizar el error cuadrado medio por Newton se pueden
asumir como mínimo global un mínimo local. Es importante notar que los valores de Aio son
cercanos al promedio de los factores pre‐exponenciales mostrados en la tabla 10. El valor
encontrado para n a pesar de ser diferente, no se encuentra lejano del rango reportado en la
literatura para material lignocelulósico proveniente de diversas materias primas: n1=1,4217,
n2=1,3849 [Rahman et al, 2006] n=1,55 [Eken‐Sara�oğlu et al, 1998], n=0,82 [Lavarack et al, 2002].
50
Parámetro Ki Ea*
(kJ/mol) n R2
X I L O S A
k1 (min‐1)
7,74 X 109 82,454 1,695 0,9732
k2 (min‐1)
5,43 X 1012 112,945 1,684 0,6684
*Energía de Activación Promedio
Tabla 12. Parámetros cinéticos para el modelo generalizado de xilosa
En la grafica 7 se puede apreciar la predicción del modelo generalizado, y por ende es posible
seleccionar las condiciones que llevan a una máxima concentración de xilosa y cuentan con una
degradación de ésta. Por la superficie resultante se puede ver que es posible seleccionar un
tiempo de reacción más corto con el fin de obtener la máxima cantidad de xilosa con un mínimo
en los productos de descomposición del hidrolizado.
Gráfica 7. Dependencia de la concentración de xilosa en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas a partir del modelo determinado.
5.4 Modelo cinético para la concentración de furfural
En la hidrólisis ácida de tusa de palma africana se produce furfural, este es un compuesto
generado por la descomposición de pentosas como la xilosa. En la tabla 13 se pueden ver los
parámetros cinéticos y estadísticos obtenidos al ajustar los datos experimentales de la hidrólisis
51
ácida de tusa al modelo de Saeman desarrollado, el cual está representado en la ecuación 19. En la
gráfica 2 se presentó una comparación entre los datos experimentales (puntos) y el modelo
ajustado (línea).
Parámetro 0,6% H2SO4 105°C 115°C 125°C
1,0% H2SO4
105°C 115°C 125°C 1,4% H2SO4
105°C 115°C 125°C F U R F U R A L
k3 (min‐1)
0,0008 0,0011 0,0029 0,0009 0,0023 0,0035 0,0012 0,0023 0,0044
Fo (g/L)
0,1100 1,5910 1,4912 0,4197 1,5451 2,6187 0,6499 1,8268 2,6867
R2 0,9696 0,9977 0,9940 0,9837 0,9870 0,9905 0,9979 0,9976 0,9982
Tabla 13. Parámetros cinéticos y estadísticos furfural a diferentes condiciones de operación
Se puede observar que k3 y Fo se ven afectados tanto por la temperatura como por la
concentración de ácido sulfúrico. Fo varió desde 0,11g/L usando ácido al 0,6% a 105°C hasta
2,6867g/L usando ácido al 1,4% a 125°C. Estos resultados se pueden comparar con los obtenidos
por Aguilar et al (2002) quienes reportaron el valor mínimo de 0,74g/L obtenido a 100°C con una
concentración de ácido sulfúrico de 2% y un valor máximo de 5,59g/L obtenido en el hidrolizado a
128°C con una concentración de ácido de 6%. La diferencia con los resultados reportados por
Aguilar et al (2002) puede deberse a dos razones principales, la primera es que ellos utilizaron
como materia prima bagazo de caña de azúcar y la segunda es que las concentraciones de ácido
que ellos utilizaron son mayores. Según los resultados presentados en la tabla 9 se identifica que
la velocidad de formación de furfural es menor a la velocidad de degradación de xilosa en las
reacciones en serie.
Se desarrolló un modelo generalizado, con el fin de poder predecir la generación de furfural. Al
igual que con xilosa, primero se hizo la correlación de k3 con la temperatura, y luego del factor pre‐
exponencial de la ecuación de Arrehnius con la concentración de ácido, obteniendo los
(19)
52
parámetros expuestos en la tabla 14. Ésta ecuación puede ser considerada como un buen ajuste
ya que se obtuvo un R2 alto.
Parámetro Ki Ea*
(kJ/mol) n R2
k3 (min‐1)
7,61 X 107 78,683 0,883 0,9301
*Energía de Activación Promedio
Tabla 14. Parámetros cinéticos para el modelo generalizado de furfural
En la grafica 4 se puede apreciar la manera en la que el modelo generalizado predice la
dependencia de la concentración de furfural en la concentración de ácido, la temperatura y el
tiempo. En dicha figura se puede observar una interacción entre la concentración del ácido, la
temperatura y el tiempo. El modelo predice un incremento en la concentración de furfural con un
incremento de la temperatura, el tiempo, y la concentración de ácido. Al ser el furfural un
inhibidor del crecimiento de los microorganismos necesarios en la fermentación es necesario
preparar hidrolizados en condiciones que minimicen la concentración de furfural. Según las
superficies de la figura 8 se puede interpretar que para minimizar la cantidad de furfural en un
hidrolizado es mejor llevarlo a cabo a más altas concentraciones de ácido por tiempos menos
prolongados.
Gráfica 8. Dependencia de la concentración de furfural en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas con base en el modelo determinado
53
5.4. Modelo cinético para la concentración de glucosa
Glucosa es un subproducto de la hidrólisis ácida de tusa de palma africana. La glucosa liberada en
la hidrólisis puede ser descompuesta a 5‐hydroximetil‐2‐furfural, también conocida como (HMF).
Sin embargo, según los datos obtenidos en la experimentación no se aprecia una disminución en la
concentración de glucosa, lo que confirma que a las condiciones de operación estudiadas no hay
degradación de glucosa.
5.5 Modelo cinético para la concentración de Glucosa
Al igual que para la xilosa y el furfural los datos experimentales se ajustan al modelo de Saeman
resuelto para el caso específico. El desarrollo mostrado en el capítulo 3 expone el modelo de
Saeman a utilizar como se muestra en la ecuación 19. La tabla 15 muestra los parámetros cinéticos
y estadísticos del modelo propuesto en la ecuación 20 para la glucosa generada en el proceso de
hidrólisis.
Parámetro 0,6% H2SO4
105°C 115°C 125°C 1,0% H2SO4
105°C 115°C 125°C 1,4% H2SO4
105°C 115°C 125°C G L U C O S A
k1 min‐1)
0,0143 0,0301 0,0491 0,0217 0,0447 0,0713 0,0305 0,0563 0,0991
Go
(g/L) 0,2408 0,2957 0,4441 0,2686 0,3747 0,5275 0,2937 0,4520 0,6901
R2 0,9759 0,9108 0,9626 0,9915 0,9794 0,9802 0,9786 0,9944 0,9912
Tabla 15. Parámetros cinéticos y estadísticos para glucosa a diferentes condiciones de operación
Los valores estadísticos corroboran que el modelo de Saeman se ajusta muy bien a los datos
experimentales. En la grafica 3 se muestran los datos experimentales y la predicción del modelo.
El parámetro de la cantidad de glucosa potencial Cgo es afectado por la temperatura y la
concentración de ácido aunque el efecto de la temperatura es más intenso, esto se debe a que la
celulosa se hidroliza a mayores temperaturas que la hemicelulosa.
(19)
54
Se desarrollo un modelo generalizado para la cantidad de glucosa liberada durante la hidrólisis por
medio de la ecuación de Arrehnius y la modificación de ésta, de la misma manera que se
desarrolló para xilosa y furfural. Los parámetros de éste modelo generalizado se encuentran en la
tabla 16. De acuerdo a los parámetros determinados para k4, se puede dar por hecho que el efecto
de la concentración de ácido no es tan alto en comparación con este mismo efecto sobre la
generación de xilosa, ya que n de k4 es mucho menor a la n de k1.
Parámetro Ki Ea*
(kJ/mol) n R2
k4 (min‐1)
7,79 X 108 76,434 0,507 0,9496
*Energía de Activación Promedio
Tabla 16. Parámetros cinéticos para el modelo generalizado de glucosa
La grafica 9 muestra la manera en la que el modelo generalizado predice la dependencia de la
producción de glucosa en la temperatura, la concentración de ácido y tiempo de reacción. Las
superficies de dicha figura corroboran de manera visual que no hay degradación de glucosa en el
rango de condiciones estudiadas. Para mantener una concentración máxima de xilosa es necesario
mantener el nivel de producción de glucosa lo más bajo posible. De acuerdo a las superficies
obtenidas se puede sugerir trabajar en tiempos de reacción lo más bajos posible, al igual que para
mantener la concentración de furfural baja.
Gráfica 9. Dependencia de la concentración de glucosa en el tiempo a diferentes concentraciones de ácido y temperaturas con base en el modelo determinado
55
6. CONCLUSIONES
Se obtuvo xilosa con un rendimiento máximo de 87,4% (valor promedio) realizando la hidrólisis
ácida con una concentración de H2SO4 de 1,4% a una temperatura de 115°c durante 40min. A
estas condiciones se obtiene un rendimiento de furfural de 8,9% y un rendimiento de glucosa de
88,2%.
Con base en el mecanismo propuesto por Saeman en 1949 se determinaron los parámetros
cinéticos con un ajuste adecuado por lo que se puede concluir que las suposiciones hechas son
correctas para el rango de estudio. Los parámetros desarrollados permiten predecir las
concentraciones de xilosa, glucosa y furfural para unas condiciones determinadas
Los parámetros cinéticos así como los datos experimentales mostraron el comportamiento
esperado, de acuerdo a lo encontrado en la literatura.
Sería posible obtener mayores concentraciones de xilosa si se usa una proporción sólido líquido
mayor.
No siempre a mayor temperatura es mejor, por lo contrario se puede corroborar que a mayor
temperatura se degradan más rápido los azúcares, y a mayor concentración de ácido se liberan
más fácilmente.
56
7. ANEXOS
7.1 Anexo 1. Cuantificación de Furfural
La cuantificación de Furfural se hace por medio de una modificación a la Norma Técnica
Colombiana NTC‐269. Esta técnica se desarrolló para determinar la concentración de furfural en
bebidas alcohólicas. En esta prueba es importante tener en cuenta que la coloración se da por una
reacción en serie con la anilina incolora, de ahí su importancia en los tiempos de medición.
Para todo método espectrofotométrico es importante la curva de calibración y el blanco. En todos
los casos la curva de calibración debe constar de mínimo 6 puntos y máximo 11, ya que más no
hacen la diferencia. También es importante que la curva de calibración se haga con el promedio de
tres réplicas para minimizar el error. El blanco en esta prueba es etanol, de manera tal que se debe
reemplazar la cantidad de muestra por etanol, y usar esto como blanco.
Por la experimentación realizada se encontró que cuando la absorbancia es menor a 0,1 o mayor a
1,8 se pierde la linealidad, de manera tal que se deben evitar valores por fuera de éste rango. Para
esto se debe diluir la muestra, y luego, en los cálculos de la concentración tener en cuenta el
factor de dilución. En general se encontró que éste rango se da para concentraciones de furfural
entre 0,0005g/L y 0,02g/L aproximadamente.
En la figura 7 se pueden ver resultados obtenidos en el laboratorio, aunque en este momento la
coloración no era máxima.
57
Figura 7. Ejemplos de pruebas NTC‐269.
A continuación se muestra el procedimiento paso a paso.
1. Se toman 50µLmL de la muestra y se mezclan con 50µL de etanol, 40µL de ácido acético
glacial a la celda en la que se va a medir la absorbancia.
2. Se agregan 40µL de anilina incolora.
a. En este paso es bien importante tener cuidado con no tocar las paredes de la celda
por las que se mide, ya que la anilina incolora deja un rastro blanco en el plástico.
b. Otra recomendación clave en este paso es poner el cronómetro justo antes de
añadir los 40µL de anilina incolora
c. Se agita con el Vortex.
3. Cuando se cumplen los 5 minutos exactos en el cronómetro se mide la absorbancia a
510nm.
Daño causado por la anilina incolora en las celdas
58
a. La absorbancia se debe medir desde los 5 minutos cada 30 segundos hasta que el
valor de ésta disminuya, lo cual sucede a los 10 minutos aproximadamente, a los
10 minutos puede llegar a disminuir hasta un 50%.
b. Es importante recordar que entre más furfural tiene más rápido cambia la
absorbancia, por lo que no se deben preparar más de 3 muestras al tiempo, a
pesar de que el espectrofotómetro tenga un carrusel de 5. Esto con el fin de evitar
errores experimentales.
4. Cuando se reemplace en la curva de calibración para determinar la concentración de
furfural en la muestra se debe utilizar el valor promedio entre el valor máximo alcanzado y
una medición arriba y una abajo.
7.2 Anexo 2. Cuantificación de Glucosa
La cuantificación de glucosa se hace por medio del kit de Glucosa. En esta prueba es importante
tener en cuenta que la coloración no permanece constante en el tiempo, a pesar de que en las
instrucciones se enuncie lo contrario.
Para todo método espectrofotométrico es importante la curva de calibración y el blanco. En todos
los casos la curva de calibración debe constar de mínimo 6 puntos y máximo 11, ya que más no
hacen la diferencia. También es importante que la curva de calibración se haga con el promedio de
tres réplicas para minimizar el error. El blanco en esta prueba es agua destilada, de manera tal que
se debe reemplazar la cantidad de muestra por agua destilada y usar esto como blanco.
Por la experimentación realizada se encontró que cuando la absorbancia es menor a 0,1 o mayor a
1,8 se pierde la linealidad, de manera tal que se deben evitar valores por fuera de éste rango. Para
59
esto se debe diluir la muestra, y luego, en los cálculos de la concentración tener en cuenta el
factor de dilución. En general se encontró que éste rango se da para concentraciones de glucosa
entre 0,4g/L y 4,4g/L aproximadamente. Cuando la cantidad de glucosa presente en la muestra es
muy baja (menor a 0,4g/L) no se alcanza a leer en el espectrofotómetro. En este caso es
importante dejarlo por tiempos más prolongados, pero de ser así se debe repetir la curva de
calibración con esos tiempos para lograr resultados confiables.
En la figura 8 se pueden ver resultados obtenidos en el laboratorio.
Figura 8. Ejemplos de pruebas con kit de glucosa.
A continuación se muestra el procedimiento paso a paso.
1. Se toma 1mL del reactivo A y se agregan 10µL de muestra.
a. En este paso es bien importante poner el cronómetro justo después de añadir la
muestra al kit.
b. Se agita con el Vortex.
60
2. Cuando se cumplen los 15 minutos exactos en el cronómetro se mide la absorbancia a
500nm.
a. La absorbancia se debe medir desde los 15 minutos cada 5 minutos hasta los 45
minutos cuando las concentraciones de glucosa son bajas. Es importante tener en
cuenta que la misma metodología se debe usar para construir la curva de
calibración.
3. Cuando se reemplace en la curva de calibración para determinar la concentración de
furfural en la muestra se debe utilizar el valor promedio entre las 7 medidas.
7.3 Anexo 3. Cuantificación de Azucares Reductores
La cuantificación de azucares reductores se hace por medio de DNS. Los azucares reductores
reaccionan con el 3,5 ácido dinitrosalicilico en solución alcalina dando un color rojo‐marrón el cual
puede ser medido por un espectrofotómetro. En esta prueba es importante tener en cuenta que la
coloración cambia con la temperatura y el tiempo, de ahí su importancia en los tiempos de de
cada paso de la prueba y la temperatura de reacción
Para todo método espectrofotométrico es importante la curva de calibración y el blanco. En todos
los casos la curva de calibración debe constar de mínimo 6 puntos y máximo 11, ya que más no
hacen la diferencia. También es importante que la curva de calibración se haga para cada reactivo
preparado con el promedio de tres réplicas para minimizar el error. El blanco en esta prueba es
agua destilada, de manera tal que se debe reemplazar la cantidad de muestra por agua destilada y
usar esto como blanco.
61
Por la experimentación realizada se encontró que cuando la absorbancia es menor a 0,1 o mayor a
1,8 se pierde la linealidad, de manera tal que se deben evitar valores por fuera de éste rango. Para
esto se debe diluir la muestra, y luego, en los cálculos de la concentración tener en cuenta el
factor de dilución. En general se encontró que éste rango se da para concentraciones de furfural
entre 0,25 g/L y 1,25 g/L aproximadamente.
En la figura 9 se pueden ver resultados obtenidos en el laboratorio
.
Figura 9. Ejemplos de pruebas con DNS.
62
A continuación se muestra el procedimiento paso a paso.
1. Se toman un beaker de 250mL y se llena a la mitad con agua. Ésta se pone a calentar hasta
ebullición. Se fija la temperatura de la plancha a 300°C.
2. Mientras calienta el agua se toman 2mL de la muestra por cada 5mL de reactivo DNS en un
tubo de ensayo preferiblemente alto.
a. Se agita con el Vortex.
3. Una vez el agua este en ebullición, y la plancha se encuentre a 300°C los tubos de ensayo
se llevan al baño de María.
a. En este paso es bien importante tener en cuenta que no es suficiente que el agua
este caliente, es NECESARIO que este en ebullición.
b. Se debe prender el cronómetro justo después de poner los tubos de ensayo al
baño de María, y el agua este EBULLENDO.
c. Es clave recordar que la temperatura y los tiempos de la prueba son claves para
unos buenos resultados.
d. Cuando el cronómetro marque 15 minutos se retiran los tubos del baño.
4. Cuando el cronómetro marque 30 minutos se deben pasar las pruebas a las celdas donde
se va a medir en el espectrofotómetro. Esto es importante para evitar que el vapor
condensado diluya un poco la muestra. Se debe tener en cuenta que entre más estricto se
sea con el procedimiento mejores resultados se van a obtener.
5. Cuando el cronómetro marque 50 minutos se mide la absorbancia a 600nm cada 2
minutos hasta que el cronómetro marque 1 hora.
a. Es importante recordar que exactamente el mismo procedimiento, se debe hacer
cuando se construye la curva de calibración.
63
6. Cuando se reemplace en la curva de calibración para determinar la concentración de
azúcares reductores en la muestra se debe utilizar el valor promedio de las 6 mediciones.
7.4 Anexo 4. Rutina Computacional
7.4.1 En solver de Excel, Microsoft Office System 2007.
Con el fin de solucionar ecuaciones no lineales con más de un parámetro desconocido, y buscando
que ésta se ajuste a los valores experimentales se utiliza la rutina de optimización de Excel a través
de la función Solver. Para poder utilizar esta función se debe plantear el problema como se explica
a continuación (figura 10):
Figura 10. Planteamiento del problema en Excel.
Constante
Parámetros de
Regresión
Celda Objetivo
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1. En una columna se introducen los valores experimentales, en este caso de concentración
de xilosa, glucosa o furfural. (En la figura es [Cx] (g/L))
2. Se determinan celdas específicas para los parámetros de regresión.
3. En una columna se introduce la ecuación dependiente de los parámetros de regresión. (en
la figura es Monómero X)
4. En otra columna se encuentra la diferencia entre las columnas 1 y 3, y se eleva al
cuadrado.
5. Finalmente se determina una celda con la suma de la columna 4.
6. Dentro de solver se fija como celda objetivo la suma de los errores cuadrados, se busca
minimizarla cambiando los parámetros de regresión (Figura 11)
Figura 11. Definición de los Parámetros en Solver
En esta función es clave explorar diferentes valores iniciales para los parámetros ya que la rutina
interna de Excel encuentra el mínimo por medio del método de Newton, y éste puede ser local o
global. Con el fin de determinar los parámetros que hacen exitoso el modelo es importante que
sea el mínimo global.
65
7.4.2 En Matlab 7.0
Con el fin de solucionar ecuaciones no lineales con más de un parámetro desconocido, y buscando
que ésta se ajuste a los valores experimentales se utiliza la rutina de optimización de Matlab 7.0 a
través de la función lsqcurvefit. Esta función de Matlab se encuentra dentro de las herramientas
de optimización y busca ajustar datos entregados a una curva determinada por medio de
minimizar los cuadrados. Es decir, se introducen los pares de datos (tiempo, concentración), éstos
pares de datos se introducen en forma de vectores. Para poder utilizar esta función se debe
plantear el problema como se explica a continuación (figura 12):
Figura 12. Planteamiento del problema en Excel.
1. Primero se definen los valores de X y Y experimentales
66
2. Se definen las condiciones iniciales de los parámetros de regresión. Al igual que en la
rutina de Excel, se debe intentar con varias condiciones iniciales con el fin de asegurarse
de que se obtiene la mejor regresión.
3. Se imponen las restricciones, en este caso no se tienen restricciones, solamente se
aumenta el número de iteraciones con el fin de mejorar la precisión de los resultados.
4. Se evalúa el modelo.
a. Éste se evalúa por medio de un archivo M, (M‐file). En estos archivos se definen las
funciones. Dentro del M‐file se llaman las condiciones iniciales anteriormente
definidas y se hacen los cálculos de lsqcurvefit.
b. El M‐file entrega los valores de los parámetros óptimos y los errores en
“[newparameters, error]”
67
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