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EXPLORACIÓN DE LAS CONDICIONES DE PROCESO PARA LA PRODUCCIÓN DE AZUCARES FERMENTABLE A PARTIR DE RAQUIS POR LOS MÉTODOS DE
HIDRÓLISIS ÁCIDA Y DE EXPLOSIÓN POR VAPOR DEL RESIDUO
LUISA FERNANDA HERNÁNDEZ PRIETO
TATIANA VILLAMIZAR PRADA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ D.C.
JUNIO DE 2008
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
EXPLORACIÓN DE LAS CONDICIONES DE PROCESO PARA LA PRODUCCIÓN DE AZUCARES FERMENTABLE A PARTIR DE RAQUIS POR LOS MÉTODOS DE
HIDRÓLISIS ÁCIDA Y DE EXPLOSIÓN POR VAPOR DEL RESIDUO
LUISA FERNANDA HERNÁNDEZ PRIETO
TATIANA VILLAMIZAR PRADA
Proyecto de grado presentado a la Universidad de los Andes como requisito para obtener el título en Ingeniería Química
Asesor:
Ing. José Rodrigo Gómez Díaz
Co-asesor
Ing. Oscar Fernando Sánchez Medina
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ D.C.
JUNIO DE 2008
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
NOTA DE ACEPTACIÓN
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Asesor: Ing. José Rodrigo Gómez Díaz
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Co-asesor: Ing. Oscar Fernando Sánchez Medina
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Jurado: Ing. Andrés Fernando González Barrios
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AGRADECIMIENTOS
Al profesor Rodrigo Gómez, por permitirnos participar en el desarrollo de este proyecto, por
su gran colaboración y paciencia. Por transmitirnos sus conocimientos, los cuales ayudaron a
nuestra formación profesional como Ingenieros Químicos y por su asesoría, la cual fue decisiva
para la culminación exitosa de este proyecto.
Al profesor Oscar Sánchez, por sus valiosos aportes y por toda la colaboración prestada.
Al Señor Enrique Riveros, su familia y todo el personal de Palmas del Llano, quienes nos
suministraron la materia prima sin la cual no hubiera sido posible la elaboración de este
proyecto.
A Cristina Gómez, por estar siempre pendiente de nuestras necesidades y por su eficiencia en
todos los procesos.
A José María Robles, Sonia Rojas, Luz Dary Rugeles y Josué Ramírez, por su constante
ayuda y buena disposición durante toda la experimentación.
Al Profesor Rigoberto Gómez y a todo el personal de los laboratorios de Química, por
permitirnos usar sus instalaciones y por su acompañamiento a lo largo de las prácticas.
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AGRADECIMIENTOS
A mis padres, Ana Luisa Prieto y Efraín Hernández, quienes gracias a su amor y apoyo
constante e incondicional me han ayudado a cumplir mis metas y mis sueños. Porque gracias a
sus esfuerzos y la fortaleza que he aprendido de ellos, he logrado superar todas las dificultades
que se me han presentado. Gracias por educarme, por enseñarme las cosas que son realmente
valiosas en la vida y por siempre estar presentes.
A mi hermano Mauricio, porque siempre me ha apoyado incondicionalmente, porque hemos
aprendido juntos muchas cosas sobre la vida y porque siempre ha sido mi ejemplo a seguir por
el profundo respeto, amor y admiración que siento hacia él. A Jonathan, un hermanito más,
quien siempre me ha apoyado y me ha dado fuerzas y consejos para seguir adelante. A toda mi
familia su apoyo.
A Tatiana, gracias porque sin su ayuda este proyecto no hubiera salido adelante. Gracias por
hacer del proyecto un ambiente agradable y divertido.
A mis grandes amigos, con los que siempre hemos compartido alegrías, triunfos y
dificultades. Porque con ellos he aprendido a enfrentar la vida y espero contar siempre todos.
Luisa Hernández
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AGRADECIMIENTOS
A mi papá y a mi mamá, por su amor, apoyo incondicional y por creer en mí durante todo
este largo camino. Sin ellos no hubiera sido posible la realización de este sueño.
A mis hermanas por su compañía en los buenos momentos y sus consejos en los momentos
difíciles, gracias por siempre estar allí para mí.
A mi familia en general, gracias por sus enseñanzas que constantemente me hacen ser una
mejor persona.
A Camilo, por amor, compañía y apoyo en los momentos más difíciles a lo largo de todos
estos años.
A mis amigos con quienes reí y sufrí a lo largo de la carrera, pero después de tantas angustias
y trasnochadas finalmente la sacamos adelante. Gracias por su apoyo durante todo este proceso.
A Luisa, mi compañera durante este proyecto, por sus aportes y conocimientos. Gracias por
hacer de este proyecto una experiencia tan agradable.
Tatiana Villamizar
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CONTENIDO
ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................................... 10
ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................ 11
ÍNDICE DE ANEXOS ......................................................................................................... 14
RESUMEN.............................................................................................................................. 15
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 16
1. OBJETIVOS................................................................................................................... 18
1.1. OBJETIVO GENERAL ...................................................................................................... 18
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................. 18
2. ESTADO DEL ARTE .................................................................................................. 19
2.1. LA PALMA DE ACEITE ................................................................................................... 19 2.1.1. Historia y cultivo .................................................................................................................. 19 2.1.2. La palma ............................................................................................................................... 19 2.1.3. Composición......................................................................................................................... 20
2.2. PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA ................................................ 21 2.2.1. Recepción ............................................................................................................................. 21 2.2.2. Esterilización ........................................................................................................................ 21 2.2.3. Desfrutamiento ..................................................................................................................... 21 2.2.4. Digestión y prensado ............................................................................................................ 21 2.2.5. Clarificación ......................................................................................................................... 22 2.2.6. Secado y almacenamiento .................................................................................................... 22
2.3. DESECHOS OBTENIDOS ACTUALMENTE EN EL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA...................................................................................................................... 22
2.3.1. Tusa ...................................................................................................................................... 22 2.3.2. Fibra ..................................................................................................................................... 23 2.3.3. Cuesco .................................................................................................................................. 23
2.4. MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS ........................................................................... 24 2.4.1. Lignina ................................................................................................................................. 24 2.4.2. Azucares Fermentables......................................................................................................... 27
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2.5. HIDRÓLISIS ACIDA ......................................................................................................... 31
2.6. EXPLOSIÓN POR VAPOR................................................................................................ 31
2.7. MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DE AZUCARES ...................................................... 33 2.7.1. DNS...................................................................................................................................... 33 2.7.2. TAPPI................................................................................................................................... 34
3. METODOLOGÍA ......................................................................................................... 35
3.1. MATERIA PRIMA ............................................................................................................. 35
3.2. PRE-TRATAMIENTO ....................................................................................................... 36
3.3. CARACTERIZACIÓN ....................................................................................................... 37 3.3.1. Porcentaje de Humedad........................................................................................................ 37 3.3.2. Porcentaje de Cenizas........................................................................................................... 38 3.3.3. Porcentaje de Grasa .............................................................................................................. 39 3.3.4. Tamaño de Partícula ............................................................................................................. 40 3.3.5. Densidad............................................................................................................................... 41
3.4. EXPLORACIÓN INICIAL EN REACTOR BATCH ......................................................... 41
3.5. EXPLORACION DEL TRATAMIENTO CON VAPOR A BAJA PRESION.................... 44
3.6. DETERMINACIÓN DE CONTENIDO DE AZUCARES .................................................. 45 3.6.1. DNS (acido 3,5 dinitrosalicílico).......................................................................................... 45 3.6.2. Pruebas TAPPI ..................................................................................................................... 47
4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.................................................... 48
4.1. CARACTERIZACIÓN ....................................................................................................... 48 4.1.1. Porcentajes: humedad, cenizas y grasa................................................................................. 48 4.1.2. Distribución de tamaño de partícula..................................................................................... 48 4.1.3. Densidad............................................................................................................................... 50
4.2. RAQUIS SIN TRATAMIENTO ......................................................................................... 51
4.3. HIDRÓLISIS ACIDA ......................................................................................................... 52 4.3.1. Reactor batch con agitación mecánica.................................................................................. 52 4.3.2. Reactor batch con recirculación ........................................................................................... 60
4.4. TRATAMIENTO CON VAPOR......................................................................................... 61
4.5. DISEÑO PROPUESTO PARA EXPLOSIÓN POR VAPOR.............................................. 65
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5. CONCLUSIONES......................................................................................................... 67
6. RECOMENDACIONES.............................................................................................. 69
REFERENCIAS .................................................................................................................... 70
ANEXOS ................................................................................................................................. 75
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Contenido de lignina en los residuos ........................................................................... 23
Tabla 2. Contenido de hemicelulosa en los residuos ................................................................. 23
Tabla 3. Composiciones y uso principal de los residuos de la palma de aceite ......................... 24
Tabla 4. Condiciones de Molienda ............................................................................................. 40
Tabla 5. Condiciones de operación del reactor batch con agitación mecánica ........................... 42
Tabla 6. Combinaciones del diseño factorial 23.......................................................................... 42
Tabla 7. Resultados de Pruebas de Caracterización.................................................................... 48
Tabla 8. Densidades del raquis sin moler. .................................................................................. 50
Tabla 9. Densidades del raquis molido ....................................................................................... 51
Tabla 10. Composicion del raquis............................................................................................... 51
Tabla 11. Proporción de celulosa y lignina en el raquis ............................................................. 51
Tabla 12. Cantidad de AR en reactor batch con agitación mecánica (g/L)................................. 52
Tabla 13. Cantidad de Azúcares reductores en columna continua (g/L) .................................... 61
Tabla 14. Resultados de pruebas TAPPI 203 de celulosa en Reactor con recirculación ............ 61
Tabla 15. Resultados de pruebas de lignina en Reactor con recirculación ................................. 61
Tabla 16. Cantidad de AR en tratamiento con vapor de baja presión (g/L)................................ 62
Tabla 17. Resultados de pruebas TAPPI 203 de celulosa en tratamiento con vapor de baja
presión......................................................................................................................................... 63
Tabla 18. Resultados de pruebas TAPPI 222 de lignina en tratamiento con vapor de baja presión
.................................................................................................................................................... 63
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Fruto de la Palma de Aceite......................................................................................... 19
Figura 2. Estructura Propuesta de la lignina ............................................................................... 25
Figura 3. Estructura primaria de la Celulosa............................................................................... 27
Figura 4. Estructura del xilano.................................................................................................... 30
Figura 5. Estructura del glucomanano ........................................................................................ 30
Figura 6. Almacenamiento de raquis en Palmeras del Llano, Acacías (Meta) ........................... 36
Figura 7. Raquis pre-tratado ....................................................................................................... 37
Figura 8. Proceso de Secado ....................................................................................................... 38
Figura 9. Determinación de Porcentaje de Cenizas .................................................................... 38
Figura 10. Montaje del sistema Soxhlet...................................................................................... 39
Figura 11. Raquis Molido y Tamizado ....................................................................................... 41
Figura 12. Hidrolisis Acida en Reactor Batch con agitación mecánica ...................................... 43
Figura 13. Hidrolisis Acida en Reactor batch con recirculación................................................. 44
Figura 14. Explosión por Vapor.................................................................................................. 45
Figura 15. Preparación de las muestras para método DNS......................................................... 46
Figura 16. Resultados de color en las muestras de DNS............................................................. 46
Figura 17. Baño para la dispersión de la celulosa...................................................................... 75
Figura 18. Filtración para la determinación de Celulosa ............................................................ 76
Figura 19. Reacción producida al agregar acido sulfúrico concentrado ..................................... 76
Figura 20. Beta celulosa precipitada ........................................................................................... 77
Figura 21. Baño frio para la dispersión del material ................................................................... 79
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Figura 22. Baño de acido sulfúrico al 3 %.................................................................................. 80
Figura 23. Montaje de filtración de lignina................................................................................. 80
Figura 24. Enfriamiento de crisoles con lignina ......................................................................... 81
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ÍNDICE DE GRAFICAS
Gráfica 1. Composición de la palma africana ............................................................................ 20
Gráfica 2. Reacción de la determinación de azúcares por DNS.................................................. 34
Gráfica 3. Análisis Diferencial de Tamaño de Partícula............................................................. 49
Gráfica 4. Análisis Acumulativo de Tamaño de Partícula.......................................................... 49
Gráfica 5. Azúcares reductores en reactor batch con agitación mecánica (g/L) ......................... 53
Gráfica 6. Azúcares reductores en reactor batch con agitación mecánica (g/L). Replica........... 53
Gráfica 7. Porcentaje de AR en reactor batch con agitación mecánica....................................... 54
Gráfica 8. Conversión de AR en reactor batch con agitación mecánica ..................................... 54
Gráfica 9. Cuantificación de celulosa en reactor batch con agitación mecánica ........................ 55
Gráfica 10. Cuantificación de celulosa en reactor batch con agitación mecánica (replica) ........ 56
Gráfica 11. Efectos estandarizados de AR en reactor batch con agitación mecánica ................. 57
Gráfica 12. Efectos principales vs. la media del contenido de AR en reactor batch con agitación
mecánica ..................................................................................................................................... 58
Gráfica 13. Diagrama cubo de AR en reactor batch con agitación mecánica ............................. 58
Gráfica 14. Porcentaje de lignina de reactor batch con agitación mecánica ............................... 59
Gráfica 15. Efectos estandarizados de AR en reactor batch con recirculación........................... 59
Gráfica 16. Cantidad de AR en tratamiento con vapor de baja presión (g/L)............................. 62
Gráfica 17. Comparación de cantidad de celulosa en cada método ............................................ 64
Gráfica 18. Comparación de cantidad de lignina y porcentaje de conversión en cada método .. 64
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ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1: TAPPI 203 Determinación de α, β y γ celulosa .......................................................... 75
Anexo 2: TAPPI 222 Determinación de lignina insoluble en acido ........................................... 79
Anexo 3. Diagrama propuesto para el método de extracción de azúcares fermentables a partir
del raquis..................................................................................................................................... 82
Anexo 4. Plano de Reactor para Explosión por Vapor ............................................................... 83
Anexo 5. Hoja de Especificaciones de Reactor para Explosión por Vapor ................................ 84
Anexo 6. Plano de Ciclón para Explosión por Vapor ................................................................. 86
Anexo 7. Hoja de Especificaciones de Ciclón para Explosión por Vapor.................................. 87
Anexo 8. Plano de montaje para Explosión por Vapor............................................................... 88
Anexo 9. Tabla de Condiciones de Explosión por Vapor reportadas en la literatura ................. 90
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RESUMEN
Durante el proceso de extracción de aceite de palma se obtienen diferentes residuos, entre
ellos el raquis, en el cual originalmente se encuentra el fruto de la palma. Este desecho es un
material lignocelulósico, característica que lo convierte en un candidato propicio para el
tratamiento y obtención de azúcares reductores fermentables. En el presente trabajo se realiza la
caracterización del material, no realizada en trabajos similares hasta el momento, ya que un
análisis riguroso del proceso de extracción de azúcares reductores requiere una caracterización
exhaustiva de las propiedades de la torta sólida que se encontrará en contacto con el flujo de
ácido.
Con este fin, se realizó la molienda del raquis por medio de un molino de cuchillas y se
realizo una comparación de los resultados entre el material sometido a un pre-tratamiento con
hipoclorito y un material sin pre-tratamiento. Para la escala estudiada, no se encontró diferencia
significativa en el tamaño de partícula obtenido, sin embargo la densidad del material sin tratar
es un poco mayor, pero con el fin de evitar daños en el raquis por descomposición o por
crecimiento de hongos y/o bacterias se tomo la decisión de utilizar raquis con pre-tratamiento.
Luego de culminar dicha caracterización, el material fue sometido a la hidrólisis acida en un
reactor batch donde se encontró que los mejores resultados de azúcares reductores se obtienen
bajo las siguientes condiciones: concentración de acido de 5 %, 100 °C de temperatura y
proporción raquis – acido de 5 % v/p. Estas condiciones se reprodujeron en un reactor de flujo
continuo y posterior a esto se realizo la comparación entre estos dos reactores con la explosión
por vapor, donde finalmente se encontró que la mayor cantidad de azúcares reductores se
obtenían mediante el método de hidrólisis acida diluida en la columna de flujo continuo. El
análisis de los azúcares reductores presentes en el raquis para cada condición se realizó
mediante pruebas de DNS y las pruebas TAPPI 203 correspondiente a la determinación de α, β
y γ celulosa y TAPPI 222 para la determinación de lignina insoluble en ácido.
Adicionalmente se propuso el diseño de un reactor acoplado a un ciclón para llevar a cabo el
proceso de explosión por vapor con el objetivo de cumplir con las condiciones reportadas en la
literatura para el tratamiento de los materiales lignocelulósicos (ver Anexo 9).
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INTRODUCCIÓN
Debido a la presente reducción en los abastecimientos de combustibles provenientes de
fuentes fósiles, el consecuente aumento de precios a nivel mundial y los impactos ambientales
que se han presentado durante las últimas dos décadas, la comunidad científica se ha visto en la
necesidad de dar prioridad a los estudios orientados a la obtención de diferentes procesos y
fuentes renovables para la producción de combustibles. Los biocombustibles, se presentan como
una alternativa que con más frecuencia se encuentran entre las opciones más deseables por parte
de la industria, quizás por la aparente reducción de emisiones que traen consigo su utilización.
Su producción y comercialización crece continuamente, sin embargo actualmente se evalúa su
verdadero impacto y rol en la reducción de emisiones globales de CO2.
Con el tremendo ejemplo impuesto por Brasil, país donde la gran mayoría de las estaciones
de servicio ya no vende gasolina sino únicamente etanol, este alcohol ha sido la alternativa más
ampliamente adoptada a nivel mundial, obteniéndose por medio de la fermentación de azucares
provenientes de fuentes renovables. Pese a la existencia de amplias políticas que motivan su
utilización, el etanol como combustible es ineficiente: el etanol no puede ser transportado por
las mismas tuberías que la gasolina, es altamente higroscópico y entrega menos energía que la
gasolina en una base de galón a galón. Por otro lado el butanol, puede obtenerse de azucares
derivados de la biomasa, siendo sus propiedades fisicoquímicas muy similares a la gasolina
(viscosidad cinemática, densidad), lo que significa que puede transportarse en manera segura
por las mismas tuberías. El butanol, contiene más energía que el etanol, lo que mejoraría el
desempeño por cada galón empleado, es decir tiene un mayor poder calorífico (PC). Mientras
que el etanol contiene casi dos tercios del PC de la gasolina, con el butanol se obtiene casi un
ochenta por ciento. Además, el butanol es mucho menos volátil, no es corrosivo y no es
higroscópico (1).
Colombia es el mayor productor a nivel latinoamericano (cuarto en el mundo) de aceite de
palma, procesando un aproximado de 3000000 de toneladas de palma al año (2) , contando con
un área productiva de 1610 Km2, la cual durante el proceso de extracción del aceite produce en
promedio 3.24 megatoneladas de desechos provenientes de la palma constituidos por racimos
libres de fruta (3). El racimo vacío o raquis es un material lignocelulósico que está compuesto
aproximadamente de un 77% de holocelulosa (44.2% de celulosa y 33.5% de hemicelulosa) y
20,4% de lignina (4).
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Se han propuesto diversos procesos para el tratamiento y extracción de azúcares en este tipo
de materiales, siendo más eficaz aquel que logre una mayor ruptura de los enlaces de la
estructura de lignina, liberando una cantidad superior de azúcares fermentables, empleando la
menor cantidad de equipos y condiciones más suaves de temperatura y presión. La hidrólisis
ácida y el método de explosión por vapor, son los tratamientos que se evaluarán en el presente
proyecto.
El método de hidrólisis ácida, empleando ácido sulfúrico diluido (<8%), permite por medio
de la variación de la concentración, extraer diferentes cantidades de azúcares, mientras que el
manejo de temperaturas inferiores a 120°C limita la posible degradación de los azúcares
obtenidos (5). La hidrólisis acida, debido a sus bajos niveles de rendimiento respecto a la
hidrólisis enzimática, es usada frecuentemente como una etapa de pre-tratamiento donde se
consigue la extracción de hemicelulosa, seguida de la enzimática que extrae en este caso la
celulosa, consiguiendo un mayor rendimiento del proceso, sin embargo, la hidrólisis acida
puede ser empleada como tratamiento único de extracción.
El método de explosión por vapor utiliza un choque de vapor saturado a alta presión, el cual
produce un rápido incremento en la temperatura de la biomasa. Posteriormente es
despresurizada en un periodo de tiempo mínimo, lo que produce una pérdida de las moléculas
de agua presentes en la estructura y una separación las fibras, destruyendo los enlaces lignina –
carbohidrato y dejando un mejor acceso a las estructuras de celulosa y hemicelulosa del
material (6).
Con el fin de evaluar el desempeño del esquema de reacción y realizar un acercamiento a la
explosión con vapor, en la presente investigación se empleó un diseño factorial 23, aplicado a la
reacción de hidrólisis, donde los factores a evaluar son la concentración del acido, la
temperatura de trabajo y la proporción acido/raquis. Por medio de la aplicación de métodos para
la determinación de azucares reductores (DNS) y pruebas para la determinación del contenido
de celulosa y lignina (TAPPI), se postulará, bajo las condiciones estudiadas, el mejor método de
extracción de azúcares reductores a partir del raquis de la palma de aceite.
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1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
Exploración de las condiciones de proceso para la producción de azucares fermentable a partir
de raquis por los métodos de hidrólisis ácida y de explosión por vapor del residuo.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1.2.1. Caracterizar de las propiedades fisicoquímicas del raquis como desecho de la
producción de aceite de palma.
1.2.2. Validar los contenidos de hemicelulosa y celulosa del raquis por medio del
método TAPPI.
1.2.3. Establecer un montaje experimental para la hidrólisis ácida como método de
extracción de azucares fermentables a partir del raquis.
1.2.4. Comparar los resultados obtenidos del montaje experimental propuesto con los
hallados en la revisión bibliográfica y experimentos realizados con anterioridad.
1.2.5. Proponer un esquema de proceso que permita combinar las operaciones de
molienda, pre-tratamiento e hidrólisis ácida del raquis.
1.2.6. Explorar las condiciones de tratamiento con el método de Explosión por Vapor
para el material de trabajo seleccionado.
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2. ESTADO DEL ARTE
2.1. LA PALMA DE ACEITE
La palma de aceite es actualmente uno de los cultivos más importantes en Colombia, ya que
la producción de su aceite y el alto potencial de sus residuos son de gran interés científico. A
continuación se describen algunas generalidades de la palma y de la producción de aceite (7).
2.1.1. Historia y cultivo
Su nombre científico de la palma de aceite es Elaeis guineensis Jacq. y es una de las tres
especies pertenecientes al género de palmas Elaeis. Esta palma es proveniente de África
Occidental, especialmente de la región de Guinea Occidental de donde proviene su nombre. La
palma aceitera, como también es conocida, crece en zonas ubicadas bajo los 500 metros sobre el
nivel del mar en una temperatura optima de 28 °C y requiere en promedio 2000 mm de lluvias
al año.
Fue introducida en América Latina por parte de los colonizadores, y en Colombia alrededor
de 1930, desde ese entonces el área cultivada con la palma llega a ser aproximadamente de
270.000 hectáreas, posicionando a nuestro país como el primer productor de Latinoamérica y el
cuarto del mundo. El Meta, Cesar, Santander, Magdalena, Nariño, Casanare y Cundinamarca
son los departamentos que mayor extensión de cultivos de palma tienen en el país (8).
2.1.2. La palma
La palma de aceite puede llegar a medir desde 8 hasta 20 metros de alto y 30 centímetros de
diámetro. Sus racimos pesan entre 10 y 40 kilogramos, los cuales pueden llegar a tener hasta
4000 frutos de 3 o 4 centímetros de largo con una forma ovoide.
Figura 1. Fruto de la Palma de Aceite
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El fruto, tal y como se muestra en la Figura 1, está formado por el estigma, la pulpa o
mesocarpio, de donde es obtenido el aceite de palma, el cuesco o endocarpio que protege a la
semilla, el endospermo, almendra o nuez, de donde es obtenido el aceite de palmiste, un
subproducto del proceso, y finalmente el embrión (8).
Existen tres variedades de palma africana dependiendo de las características presentadas en
su fruto (8):
a. Palma dura: El endocarpio o cuesco mide más de 2 mm de espesor, y su mesocarpio es
delgado generalmente.
b. Palma pisífera: No presenta endocarpio. La pulpa ocupa una gran parte del fruto.
c. Palma Ténera: Se obtiene mediante el cruce de las dos variedades anteriores. Como
resultado presenta un endocarpio o cuesco de menos de 2 mm. de espesor.
Gráfica 1. Composición de la palma africana (2)
2.1.3. Composición
El racimo de fruta fresca, producto de la palma africana, tiene una composición de raquis o
tusa ente 17,7% y 26,1%; las demás partes y composiciones del racimo se muestran en la
Grafica 1. Estos porcentajes se dan como un valor aproximado ya que dependen de la variedad
de palma utilizada. (2).
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2.2. PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA
Para la obtención del aceite de palma, es necesario realizar varias etapas luego de la etapa de
cosecha, las cuales se describen a continuación (2). Cabe aclarar que la palma de aceite es el
cultivo que produce mayor rendimiento de aceite, comparado con otros cultivos de semilla
como la soja.
2.2.1. Recepción
Los racimos que se reciben provenientes de las plantaciones son pesados y se les realiza un
control de calidad. Posteriormente se realiza, en lo posible, una revisión al material recibido con
el fin de eliminar piedras, arena o cualquier impureza que tengan los racimos (2).
2.2.2. Esterilización
El proceso de esterilización tiene dos fines fundamentales. El primero como su nombre lo
dice es la esterilización del material y segundo el ablandamiento de la unión de los frutos con la
tusa para ayudar a la separación. La esterilización se lleva a cabo en autoclaves y por medio de
variaciones de presión durante aproximadamente 90 minutos, con el fin de desactivar la lipasa y
así evitar la liberación de los ácidos grasos (2).
2.2.3. Desfrutamiento
En esta etapa se separa el fruto de las hojas, el raquis y las ramas, por medio de un tambor
desfrutador. La fruta es llevada a la etapa de digestión, mientras que la tusa, la cual es
considerada material de desecho, es separada por medio de bandas transportadoras para luego
ser incorporada al suelo, ya que se aprovecha como nutriente para las palmas en el cultivo (2),
dado que ayuda a la protección del suelo, a evitar la erosión y mejorar la capacidad de retención
de humedad del mismo (7).
2.2.4. Digestión y prensado
Una vez separados los frutos del raquis, estos son transportados típicamente por medio de
elevadores hacia los digestores. Una vez allí, los frutos se calientan y se obtiene una parte del
aceite. La torta que queda se macera y posteriormente es sometida al proceso de prensado donde
se obtiene una parte sólida y otra parte compuesta por aceite. La parte sólida es pasada y
trasladada a una etapa de desfibración donde son separadas la fibra y las nueces. Las nueces son
luego utilizadas para obtener el aceite de palmiste, y la fibra pasa a ser parte de los desechos del
proceso, actualmente la fibra se usa como combustible de las calderas que producen el vapor de
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agua que se utiliza en la planta. Finalmente, todo el aceite obtenido pasa luego al siguiente
proceso de decantación y clarificación (2).
2.2.5. Clarificación
Este proceso puede llevarse a cabo de dos formas diferentes. Por medio de sistemas
estáticos, usando tanques circulares verticales o cuadrangulares horizontales, o por medio de
sistemas dinámicos tales como centrífugas o decantadores. El aceite una vez clarificado pasa a
tanques para ser sedimentado, en esta parte del proceso se puede decir que se tiene ya el aceite
purificado (2).
2.2.6. Secado y almacenamiento
Usando calentamiento en un tanque o secamiento atmosférico o al vacío, se logra disminuir
la humedad presente en el aceite. Finalmente, y después de realizar los controles de calidad, el
aceite se almacena en tanques, para luego ser distribuido a los compradores (2).
2.3. DESECHOS OBTENIDOS ACTUALMENTE EN EL PROCESO DE EXTRACCIÓN
DE ACEITE DE PALMA
En el proceso de la producción de aceite de palma se generan varios desechos dependiendo
de la etapa que se encuentre trabajando. Como se menciono en anteriormente, el primer desecho
que se genera son las hojas, o impurezas que traen los racimos de la palma. Realmente con este
tipo de residuos es muy poco lo que se puede hacer, ya que la tierra y las rocas son materia
inorgánica que no genera contaminación alguna al ser devueltos al medio ambiente.
En los procesos de esterilización, clarificación y palmistería se producen también
desperdicios líquidos, para los cuales se cuenta en algunas plantas con hidrociclones, y sistemas
de tratamiento conformados por lagunas anaerobias, lagunas facultativas en las cuales se
remueve cargas orgánicas y sólidos suspendidos, o bio-digestores. Una vez cumplido el ciclo de
tratamiento los efluentes pueden ser usados para riego, como abono o pueden ser drenados
naturalmente. (2)
En otras partes del proceso se obtienen tres tipos de desechos que pueden ser aprovechados
para la obtención de azucares fermentables, con el fin de realizarle un tratamiento posterior y
obtener de ellos butanol. Estos tres tipos de residuos se describen a continuación.
2.3.1. Tusa
La tusa es obtenida en la parte de desfrutamiento del proceso. Este desecho es el que se
obtiene en mayor cantidad durante el proceso, ya puede llegar comprender hasta el 26% del
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peso del racimo de fruta fresca con la que se empieza el proceso, como se pudo observar en la
Grafica 1. Según estudios realizados (9) la tusa es el residuo que contiene un menor porcentaje
de lignina, y mayor porcentaje de hemicelulosa, tal como se observa en la Tabla 1 y la Tabla 2,
lo que indica que este residuo tiene mejores condiciones para la extracción de azucares
fermentables.
2.3.2. Fibra
Luego del proceso de digestión y prensado se realiza la desfibracion, donde se obtienen la
fibra y las nueces de manera separada, a partir de ese momento la fibra es un material de
desecho. Los porcentajes de lignina y hemicelulosa presentes en la fibra, se asemejan mucho a
los obtenidos para la tusa, sin embargo esta última sigue siendo la de mayor interés ya que los
porcentajes de hemicelulosa son mayores (9).
2.3.3. Cuesco
El último residuo de interés obtenido en el proceso es el cuesco. Debido a su alto contenido
de lignina este material es duro, y por su poco porcentaje de hemicelulosa no es un residuo
atractivo para el tratamiento de obtención de azucares reductores. (9)
Tipo de Residuo Lignina (%)
Tusa 23.471 ± 1.802
Cuesco 57.311 ± 1.281
Fibra 43.564 ± 5.196
Tabla 1. Contenido de lignina en los residuos (2)
Tipo de Residuo Hemicelulosa (%)
Tusa 16.473 ± 1.312
Cuesco 6.850 ± 0.940
Fibra 11.290 ± 1.168
Tabla 2. Contenido de hemicelulosa en los residuos (2)
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A continuación se muestran los pesos equivalentes por fruto procesado, de cada uno de los
residuos presentes en los racimos de palma tal y como llegan a ser procesados a la planta de
extracción (2). También se puede ver el porcentaje de humedad presente en cada residuo, su
composición química y su uso principal.
Composición química (ppm)
Subproducto Humedad Peso equivalente al
fruto procesado N P K
Uso principal
Tusa o raquis
23 - 65% 22% 0,8 0,2 2,9 Abono orgánico en las plantaciones
Fibra 12 - 45% 13% 1,4 2,8 9 Combustibles en las calderas y abono
Cascara o cuesco
7 - 15% 6% 0,6 3,3 12,7 Combustible y para adecuación de vías
internas Tabla 3. Composiciones y uso principal de los residuos de la palma de aceite (2)
2.4. MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS
Los residuos sólidos provenientes del proceso de obtención de aceite de palma están
compuestos de lignina y azucares como la celulosa y la hemicelulosa. Esta composición a base
de material lignocelulósico es de nuestro interés ya que a partir de esta base son obtenidos los
azucares que serán sometidos al proceso de fermentación para la posterior extracción de
butanol.
Para la selección del mejor método de extracción entre hidrólisis acida batch o continua o el
método de explosión por vapor, se tendrá en cuenta la cantidad de lignina y de azúcares al final
de cada procedimiento.
2.4.1. Lignina
La lignina es uno de los tres componentes mayoritarios de los materiales lignocelulósicos,
junto con la celulosa y la hemicelulosa. Es un polímero amorfo formado por unidades de
fenilpropano unidas por diferentes tipos de enlaces distribuidos de modo aleatorio como se
observa en la Figura 2 (10), y que se encuentra presente en la pared celular de las plantas
vasculares.
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Figura 2. Estructura Propuesta de la lignina
Sus principales funciones son controlar el transporte de fluidos a través de la pared celular y
brindar protección a la planta por medio de la rigidez que provee su estructura característica, de
esta manera controlar los ataques biológicos, además de permitir que la planta sea más resistente
a los impactos (11). Este material constituye entre un 15-40% del material lignocelulósicos
presente en los materiales leñosos (11). La lignina es un polímero biodegradable, pero de difícil
implementación como substrato en la fermentación industrial (10).
La lignificación se cree que ocurre en las capas intracelulares de el cambium, donde se
fusionan la albura y las capas de la corteza de los arboles. Diferentes observaciones han
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demostrado que la lignificación es iniciada en las células diferenciadoras y se extiende hasta
áreas intracelulares.
La lignificación ocurre en tres fases. Inicialmente el proceso ocurre en la esquina de la célula
y las laminillas medias, después de completada la deposición de las pectinas y una vez la
formación de la pared secundaria S1 se haya iniciado. Durante la segunda fase, ocurre una
deposición de microfibrillas de celulosa, manano y xilano en la capa S2. Finalmente, la
lignificación ocurre ampliamente y termina luego de que ocurra la deposición de microfibrillas
de celulosa en la capa S3 (12).
2.4.1.1. Arquitectura de la lignina
Una característica del proceso de delignificación es el aumento en el tamaño de las
moléculas conforme se presentan las últimas etapas de dicho proceso. Esta característica ocurre
principalmente cuando la lignina se hace soluble por medio de tratamientos químicos. La
naturaleza de fenolítica conjugada de los precursores de la lignina permite que ocurran
reacciones de condensación durante el proceso de delignificación. Sin embargo estas reacciones
de condensación se estiman que son una razón secundaria para el fenómeno de aumento de peso
molecular que se experimenta. Actualmente se plantea la hipótesis de la relación del tamaño de
partícula con el tamaño de la lignina que se logra disolver en el proceso de de lignificación (12).
2.4.1.2. Degradación de la lignina
Actualmente la delignificación o degradación de la lignina se propone como el proceso
inverso a la polimerización de una red compuesta de cadenas monodispersas aleatoriamente
unidas, en las cuales los sitios de unión son grupos benzil éter, los cuales son los más reactivos
de todas las uniones de éter encontrados en la estructura de lignina (12)
2.4.1.3. Propiedades de la lignina en solución
De acuerdo a estudios realizados actualmente se ha determinado quela lignina se comporta
en solución como moléculas las cuales en su forma solvatada se encuentra representado por una
esfera Einstein (una bola impermeable a solventes). Sin embargo cuando se analiza la medida de
diferentes parámetros como coeficientes de sedimentación y constantes de difusión, se interpreta
que el comportamiento de las ligninas solubles es como el de moléculas compactas en solución,
pero no tan compactas como una esfera solida, ya que estas macromoléculas están más
densamente empacadas que los polímeros lineales flexibles como el poliestireno.
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2.4.2. Azucares Fermentables
2.4.2.1. Celulosa
La celulosa es el componente orgánico mayoritario de las paredes celulares de las plantas. Es
un polímero lineal constituido por monómeros de β-D-Glucosa, cuyas unidades están ligadas
por enlaces glucosídicos. Los polímeros lineales de celulosa, llamados fibrillas elementales, se
encuentran unidos por medio de enlaces de hidrogeno y fuerzas de Van der Waals. Estos enlaces
unidos forman las fibras de celulosa, presentando una estructura cristalina altamente organizada
resistente a la hidrólisis (10). La estructura primaria de la celulosa se muestra en la Figura 3 (6).
Figura 3. Estructura primaria de la Celulosa
2.4.2.1.1. Composición química
La celulosa es una macromolécula compuesta por unidades estructurales de D- glucopiranosa
anhidra. La α y β-D Glucopiranosa disuelta en agua produce una mutarotación dando como
resultado la mezcla de dos isómeros (36,2% α y 63.7% de β), formados probablemente por una
eliminación del agua presente en los grupos hidroxilos creando un puente de oxigeno. La
hidrólisis de la celulosa con el acido sulfúrico produce un rendimiento entre el 50 y 51% de
octacetato de celubiosa.
La celobiosa consiste en dos unidades de glucopiranosa unidas por medio de un enlace
glucosidico entre las posiciones 1 y 4. La celulosa también puede ser descrita como β-1-4-
poliacetal de celubiosa, o como un poliacetal sindiotáctico de glucopiranosa. Los enlaces
glucosídicos son susceptibles a hidrólisis y oxidación dando como resultado una degradación en
el peso molecular (12).
2.4.2.1.2. Conformación
Se ha demostrado por medio de espectroscopia NMR que la unidad estructural de celulosa
posee la estructura de anillo de piranosa y que la β-D-Glucopiranosa, que adopta una
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conformación de silla en 4C1, dicha conformación posee la mínima energía libre. Dada la
conformación β de los enlaces glucosídicos, la celulosa es un polímero semi-rígido, el posee una
conformación en cadena (12).
2.4.2.1.3. Peso molecular
El peso molecular de la celulosa depende de su fuente de origen, el método de aislamiento, el
método de determinación, entre otros. Se ha determinado que la celulosa nativa tenga un grado
de polimerización mayor a 10.000 o un peso molecular aproximado de 2.000.000 (12).
2.4.2.1.4. Polimorfismo de la celulosa
La celulosa presenta 4 diferentes formas de alotropía, la celulosa I, II, III y IV. La celulosa I,
es la llamada celulosa nativa, y esta se presenta a su vez en dos formas diferentes, como α y β.
La primera se encuentra abundantemente en algas y bacterias, mientras que la segunda es más
abundante en plantas. Cualquiera de estos poliformismos de la celulosa I puede ser convertida
en celulosa II por medio de tratamientos con álcalis, o por mercerización. La celulosa III es
obtenida a partir de las celulosas tipo I y II al ser sometida a tratamiento con amoniaco líquido o
con aminas. La celulosa IV es obtenida a partir de la celulosa III por calentamiento empleando
glicerol para dicho proceso (12).
2.4.2.1.5. Puentes de hidrogeno
La celulosa contiene uniones de hidrogeno tanto intramolecularmente como
intermolecularmente. La estructura de la celulosa I esta basada en cadenas paralelas y la
posición rotacional de los grupos C6 metil hidroxil dando como resultado otro enlace
intramolecular de hidrogeno entre el C6’(O)- y el O2 en la unidad de glucopiranosa, o dos
enlaces de hidrogeno por unidad estructural de anhidroglucopiranosa y otro enlace
intramolecular por unidad estructural entre las cadenas C3-(OH) y C6-(O), Estos enlaces de
hidrogeno permiten que las cadenas de celulosa formen una estructura de hoja. La estructura de
la celulosa II presenta cadenas antiparalelas en la unidad, y la conformación del grupo C6 –
hidroximetil difiere en cada cadena, de esta manera una de las cadenas antiparalelas tiene un
enlace de hidrogeno intramolecular por cada unidad de anhidroglucopiranosa mientras que la
otra cadena presenta dos enlaces (12).
2.4.2.1.6. Esteres de celulosa
El carbonato de celulosa, sulfato de celulosa, nitrito de celulosa y el fosfato de celulosa han
podido ser sintetizados, pero sin duda el ester inorgánico de mayor importancia comercial es el
nitrato de celulosa, el cual es obtenido por medio de la siguiente reacción:
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CELLOH + HNO3 CELLONO2 + H2O
Los esteres provenientes de ácidos orgánicos son de mayor importancia, donde los acetatos
de celulosa son los mas ampliamente utilizados.
2.4.2.2. Hemicelulosa
La hemicelulosa es el segundo componente más abundante en la pared celular, después de la
celulosa. Es una estructura amorfa constituida por polímeros de hexosas o pentosas unidas entre
sí por medio de enlaces glucosídicos, cuya principal función es la de suministrar el enlace de
unión entre la lignina y la celulosa. La hemicelulosa está compuesta por hasta 5 azucares
diferentes tres tipos de hexosas, glucosa, manosa y galactosa y dos tipos de pentosa, xilosa y
arabinosa. Todos estos azucares existen en la forma de anillo de piranosa, exceptuando la
arabinosa, la cual se encuentra más comúnmente en la forma de anillo de furanosa (13).
Adicionalmente, únicamente la xilosa no posee un radical –CH2OH libre en el C5 del
anillo. Dos grupos derivativos se encuentran presentes en las hemicelulosas de los materiales
leñosos, el grupo metoxil y el acetil. El grupo metoxil esta unido como un grupo éter en la
cuarta posición del acido glucorónico, y como el metil ester de el grupo carboxilo en la pectina.
El grupo acetil esta sustituido en ciertos azucares como un este de acido acético.
2.4.2.2.1. Estructura
Las maderas duras contienen grandes cantidades de xilano el cual está definido por 4-O-
metil-D-glucoronoxilano, siendo esta la principal fuente de contenido de pentosano en este tipo
de maderas. En cuanto a las maderas blandas, estas contienen cantidades menores de
hemicelulosa tipo 4-O-metil-D-glucoronoarabinoxilano.
A diferencia de la celulosa, la hemicelulosa es fácilmente hidrolizable. Existen dos tipos de
hemicelulosa (6):
Los xilanos: predominantes en las maderas duras. Son polímeros compuestos de β-
xilopiranosa unidas por enlaces β-(1,4).
H2SO4
H2O
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Figura 4. Estructura del xilano
Los glucomananos: predominantes en las maderas blandas. Son polímeros lineales de
glucosa y manosa unidos por enlaces β-(1,4).
Figura 5. Estructura del glucomanano
2.4.2.2.2. Reactividad
Los enlaces glucosídicos presentes en la hemicelulosa la hacen susceptible al clivaje por el
efecto catalítico de los iones de hidrogeno. Por ejemplo esta reacción conlleva a la perdida
temprana de las cadenas laterales de galactosa y arabinosa. La extensión del tratamiento con
acido para la hidrólisis depende de la naturaleza del enlace glucosídico, la accesibilidad de la
hemicelulosa en el material, la concentración del acido, y el tiempo de reacción.
La hidrólisis acida de la celulosa tiene una energía de activación de 28 a 30 Kcal/mol, similar a
la de la celulosa. La reacción de delignificación tiene una energía de activación de 22 Kcal/mol,
entonces se puede decir que la degradación de hemicelulosa por medio de hidrólisis acida
aumenta con respecto a la delignificación, si la temperatura es aumentada en el proceso de
tratamiento. Aunque todos las uniones glucosídicas que se encuentran en la hemicelulosa son
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susceptibles a la hidrólisis acida, la unión de acido glucorínico y la cadena principal se ha
encontrado que es más resistente al ataque del acido.
2.5. HIDRÓLISIS ACIDA
La hidrólisis ácida es un método donde a partir del uso de ácidos (acido sulfúrico,
clorhídrico, entre otros) en altas o bajas concentraciones, se produce la obtención de azucares
monoméricos a partir del polisacárido que es sometido a tratamiento (6).
Los procesos de hidrólisis que emplean ácidos concentrados deben ser operados a bajas
temperaturas, presentando un mayor rendimiento que el proceso contrario donde se emplean
concentraciones bajas de acido a temperaturas altas. Sin embargo, el uso de ácidos concentrados
es limitado debido a los altos costos que este acarrea.
Debido a que los polisacáridos presentan diferentes grados de polimerización, el proceso
puede ocurrir en dos etapas. En la primera se emplean condiciones menores, donde la
hemicelulosa es hidrolizada. Luego, en la segunda etapa, las condiciones se hacen más severas
(aumento de temperatura) para obtener esta vez la hidrólisis de la celulosa, evitando de esta
forma la degradación y disminución de los azucares provenientes de la hemicelulosa.
2.6. EXPLOSIÓN POR VAPOR
El método explosión por vapor o steam explosion es un método óptimo para el tratamiento
de materiales leñosos. Este consiste en la utilización de un reactor tipo batch o continúo
equipado con válvulas especiales de carga y descarga (14) , donde vapor saturado a alta presión
es alimentado dentro de este para calentar rápidamente la biomasa durante un corto periodo de
tiempo.
Luego el material es sometido a una despresurización rápida. Durante el proceso de choque
con el vapor y la posterior despresurización se produce una pérdida del agua presente en el
material, separando las fibras de este y destruyendo los enlaces lignina - carbohidrato, dejando
un mejor acceso a las estructuras de celulosa y hemicelulosa del material.
Las variables más importantes en este tratamiento son la temperatura, el tiempo de
residencia, el tamaño de partícula y la humedad (6). La temperatura en la cual es realizado el
tratamiento define la severidad de este, la cual está dada por el parámetro Ro y está definido por
(15):
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Donde, t es el tiempo en minutos, y T la temperatura en grados centígrados.
Una alta severidad en el proceso presenta una mayor solubilidad, pero a su vez puede
presentar una degradación en los azucares obtenidos, lo cual no es favorable para el proceso
(16).
De acuerdo a la revisión de algunas de las fuentes bibliográficas (17) disponibles sobre
estudios realizados en explosión por vapor para materiales lignocelulósicos se encontraron las
siguientes generalidades.
Para llevar a cabo el tratamiento de explosión por vapor sobre cualquier tipo de biomasa en
general se debe contar con un reactor que soporte el manejo de altas presiones y temperaturas,
acoplado con válvulas que soporten las condiciones de trabajo para la entrada y salida del
material que se va a tratar, teniendo en cuenta que este tipo de procedimiento puede realizarse
tanto en forma continua como en batch.
En el proceso de explosión se da una conversión de la biomasa a una pulpa fibrosa que se da
debido a la rápida despresurización a la que se somete el material durante el proceso. Durante el
proceso es necesaria la generación de vapor saturado para el choque de este con el material, por
lo tanto solamente el conocimiento de una variable es necesario para la determinación de las
condiciones de trabajo. Para este tipo de procesos se ha propuesto el factor de severidad el cual
relaciona la temperatura de trabajo y el tiempo de la explosión en un solo factor como se ha
descrito anteriormente.
En la mayoría de los trabajos consultados se reporta que al aumentar la presión de trabajo, o
el aumento del factor de severidad da como resultado la degradación de una mayor cantidad de
celulosa, sin embargo con el incremento del factor de severidad se presenta un efecto secundario
indeseable donde la hemicelulosa es degradada en gran cantidad. Al verse afectadas las
estructuras de la hemicelulosa es muy probable que los enlaces hemicelulosa – lignina también
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se vean afectados, eliminando parte de la lignina presente en la muestra, caso que es a su vez
indeseable en algunos procesos de explosión. Con el fin de disminuir el factor de severidad del
tratamiento se puede optar por la acidificación de la muestra previo al tratamiento que hace más
susceptible al material al ataque por parte del vapor y la consecuente obtención de un mayor
rendimiento sin afectar severamente a la lignina y hemicelulosa del material.
Durante el proceso de explosión de vapor se realiza un tratamiento hidrolítico a la biomasa,
donde esta se fracciona en tres partes en general. Una parte soluble en agua, que representa la
lignina soluble en esta y algunos de carbohidratos de bajo peso molecular, otra parte que se
obtiene es soluble en álcalis, donde se encuentra la lignina insoluble en agua, y finalmente una
parte insoluble que representa la celulosa presente en el material que pudo ser extraída por
medio del ataque por explosión por vapor realizado al material. Las condiciones de tratamiento
dependen del tipo de material que se va a tratar, si son maderas duras necesitara un factor de
severidad más alto que si se tratara una madera tipo blanda.
En el Anexo 9 se reportan algunas de las condiciones reportadas en la literatura para varios
tipos de material lignocelulósico por medio de la explosión por vapor, método que ha sido
reportado hasta el momento como eficaz para la extracción de azucares reductores.
2.7. MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DE AZUCARES
2.7.1. DNS
Por medio de la aplicación de acido 3,5 dinitrosalicílico a la muestra a analizar, y
posteriormente la aplicación de calor se produce, debido a la presencia de azucares reductores,
la reducción del acido a acido 3–amino-5 nitrosalicílico, generando un cambio en la coloración
amarilla original a una solución de color café. Las muestras tomadas deben ser analizadas
utilizando un espectrofotómetro, realizando la medición a 600 nanómetros. Las diferentes
tonalidades que se presentan hacen posible la determinación la cantidad de azucares presentes
en cada una de las soluciones (18). La reacción que se lleva a cabo en el proceso de
determinación de azúcares usando el acido 3,5 dinitrosalicílico, se muestra a continuación (19).
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Gráfica 2. Reacción de la determinación de azúcares por DNS
2.7.2. TAPPI
2.7.2.1. TAPPI 203 para determinación de α, β y γ celulosa
Las unidades básicas de celulosa (constituida por α y β celulosa) y la hemicelulosa (formada
mayormente por γ celulosa) poseen diferentes solubilidades en ácidos y bases y esto hace
posible su separación y posterior cuantificación.
La celulosa de alto peso molecular, que no ha sido degradada durante el proceso de
hidrolización (α celulosa), es resistente al hidróxido de sodio en una concentración del 17,5%.
Esta celulosa puede ser determinada como la fracción no disuelta, mediante la oxidación con
dicromato de potasio.
A diferencia de la α celulosa, la hemicelulosa y la celulosa degradada (β celulosa) son
disueltas en el hidróxido durante la primera oxidación. Durante la segunda oxidación a la cual se
expone el material, cuando es agregado el acido, se produce una fracción soluble y otra fracción
precipitada. La primera fracción se oxida con dicromato de potasio y la determinación de la
segunda fracción se hace por la diferencia de las fracciones halladas en la primera y segunda
oxidación (20).
2.7.2.2. TAPPI 222 para determinación de lignina insoluble en acido
Este método conocido a su vez como Klason, determina la fracción de lignina que contienen
los materiales leñosos. Esta es insoluble en acido sulfúrico al 72% y se determina
cuantitativamente. Existe una porción de lignina que es soluble en el acido sulfúrico en esta
concentración, la cual es medida usando absorción de radiación ultravioleta, y se estima que no
es superior al 5% (20).
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3. METODOLOGÍA
Con el propósito de explorar las condiciones de proceso más adecuadas para la extracción de
azucares fermentables, primero fue necesario caracterizar el material de trabajo y así conocer
algunas de sus propiedades. Luego de esto, se utilizaron los métodos de hidrólisis acida en batch
y con recirculación y de explosión por vapor, para finalmente analizar los resultados obtenidos
en cada método por medio de pruebas cuantitativas, determinando así las mejores condiciones
de trabajo. Las pruebas a realizar y los materiales necesarios se explican a continuación.
3.1. MATERIA PRIMA
En la producción del aceite de palma, el raquis es sometido a procesos de cocción para
facilitar la separación del fruto del cual se extrae el aceite. Como desecho de este proceso se
obtiene el raquis sin fruto pero con un gran porcentaje de agua, dado que la cocción se hace con
grandes cantidades de vapor. Por este motivo, es necesario realizar un pre-tratamiento para
facilitar el manejo de la materia prima y para garantizar una vida útil del material más
prolongada, evitando daños por la descomposición del mismo y el crecimiento de hongos y
bacterias. Para la realización de este proyecto, se utilizaron los residuos provenientes de la
planta productora de aceite de palma Palmeras del Llano, la cual se encuentra ubicada en los
llanos orientales del país, más exactamente, Acacías (Meta).
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Figura 6. Almacenamiento de raquis en Palmeras del Llano, Acacías (Meta)
3.2. PRE-TRATAMIENTO
El raquis que sale de la planta productora de aceite de palma, fue secado a temperatura
ambiente durante un periodo aproximado de dos días. Esto facilitar los cortes y la obtención de
ramas más pequeñas que permiten una mejor manipulación del material. Posterior al corte se
realizó un proceso de esterilización el cual consiste en sumergir las ramas de raquis en
hipoclorito diluido al 0,28 %, aproximadamente durante una hora.
Luego de la esterilización, el hipoclorito es retirado del material realizando un lavado con
agua. A continuación se hizo un secado en un horno Cole-Parmer a una temperatura cercana a
100 °C, presión de 1 Psig y durante 24 horas, esto con el fin de eliminar el agua del material y
así evitar la descomposición del mismo y facilitar procesos posteriores como molienda,
tamizado, entre otros.
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Figura 7. Raquis pre-tratado
3.3. CARACTERIZACIÓN
Con el fin de conocer algunas de las propiedades físico-químicas del material de trabajo, se
realizaron algunas pruebas de caracterización cuyos materiales y procedimientos se explican a
continuación.
3.3.1. Porcentaje de Humedad
Para determinar el porcentaje de humedad del raquis, las ramas cortadas fueron pesadas y
posteriormente colocadas en un horno Cole-Parmer bajo las siguientes condiciones: 1 Psi de
presión, una temperatura cercana a 100 °C y un tiempo de 24 horas. Luego fueron pesadas
nuevamente para determinar el cambio de peso por la eliminación de agua.
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Figura 8. Proceso de Secado
3.3.2. Porcentaje de Cenizas
Con el fin de determinar la cantidad de materia inorgánica no volátil presente en el material
de estudio, se realizó la prueba de contenido de cenizas utilizando la técnica descrita por la
norma TAPPI 211. Para esto se pesaron aproximadamente 2 g de raquis en un crisol de
porcelana que luego fue calentada con mechero hasta que este material se convirtiera en ceniza.
Figura 9. Determinación de Porcentaje de Cenizas Con el fin de calcinar la muestra, se utilizo finalmente una mufla Thermolyne 1400 a 600 °C
donde se introdujo el crisol con la ceniza durante una hora. De nuevo, la relación de masa final e
inicial en el crisol nos indica la cantidad de ceniza presente en el raquis.
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3.3.3. Porcentaje de Grasa
Esta prueba se realizo por medio del sistema Soxhlet (21), utilizando como solvente éter de
petróleo para así determinar el porcentaje de grasa en base seca. El montaje realizado y el
desarrollo de este procedimiento se explican a continuación.
Figura 10. Montaje del sistema Soxhlet
En un dedal se pesa 1 g de raquis molido el cual se coloca posteriormente en el tubo de
extracción del montaje Soxhlet. Un balón (pesado previamente) con 200 mL del solvente es
colocado en el sistema y luego es calentado para evaporar el éter de petróleo y realizar la
extracción de aceite. Una vez terminada la extracción, el balón es colocado en un roto-vapor
Büchi R-114 integrado a un baño de agua Büchi B-480 a 60 °C, con el fin de eliminar el
solvente y dejar en el envase únicamente el aceite extraído. Para eliminar las posibles trazas del
solvente, el balón es colocado en un horno Memmert a 105 °C durante aproximadamente 45
minutos. El balón con el aceite se deja enfriar y secar y se pesa nuevamente, para obtener el
peso de aceite extraído.
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3.3.4. Tamaño de Partícula
Para realizar un análisis de la distribución del tamaño de partícula, se hizo una reducción de
tamaño en un molino Netzsch, referencia Condux CS 150/100-2, donde, para tratar 1 Kg de
raquis, se consumió un tiempo aproximado de 1 hora y una potencia total de 1.5 kW. Con el fin
de determinar el mejor medio de trabajo y la manera más eficaz de triturar el material, la
molienda se realizo en diferentes condiciones que se presentan en la siguiente tabla.
Nombre Condición
NT 1 vez Material sin pre-tratamiento y 1 paso por el
molino
NT 2 veces Material sin pre-tratamiento y 2 pasos por el
molino
T 1 vez Material con pre-tratamiento y 1 paso por el
molino
T 2 veces Material con pre-tratamiento y 2 pasos por el
molino
Tabla 4. Condiciones de Molienda
Estas condiciones tienen como objetivo evaluar las condiciones más favorables para la
disminución de tamaño. Se quiere comparar la facilidad de la molienda utilizando un material
con contenidos de humedad y un material libre de agua. Además se quería comprobar si es
necesario realizar varios pasos por el molino para obtener un menor tamaño de partícula. Luego
de realizada la molienda, el material fue pasado a través de varios tamices para hacer el análisis
posterior de distribución de tamaño. Los tamices utilizados tenían los números MESH 8, 12, 16,
20 y 30.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Figura 11. Raquis Molido y Tamizado
3.3.5. Densidad
Con el fin de determinar la densidad de raquis, se realizaron diferentes pruebas a diferentes
condiciones. Inicialmente en una muestra de raquis sin moler se tomaron tres tipos de
densidades: la primera de ellas es la densidad real, para la cual se pesa una cantidad de muestra
y posteriormente se sumerge en una probeta con un volumen de agua conocido para así
establecer el volumen desplazado por el material. Los otros tipos de densidad fueron la densidad
aparente y la densidad aparente bajo presión. Para la densidad aparente se introduce una muestra
de peso conocido en una probeta vacía (sin presionar la muestra) y se registra el volumen
ocupado por la misma. Para la densidad aparente bajo presión, se realiza el mismo
procedimiento que en la anterior, pero en esta ocasión a la muestra le es aplicada una fuerza
hasta la presión máxima de compresión posible y nuevamente se registre el volumen ocupado.
Después de esto se tomo una muestra de raquis molido, a la que se le realizaron únicamente
pruebas de densidad aparente. Esto se debe a que la diferencia entre la densidad aparente y la
densidad aparente bajo presión no es significativa dado el tamaño de partícula obtenido.
3.4. EXPLORACIÓN INICIAL EN REACTOR BATCH
La hidrólisis ácida se realiza bajo dos escenarios diferentes con el fin de cuantificar los
azúcares en cada una. Por las razones ya explicadas en el marco teórico, se utiliza ácido
sulfúrico diluido y temperaturas moderadas.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Para el primero de esto escenarios, y empleando las mejores condiciones reportadas en la
literatura (6), se utilizó un reactor batch con agitación mecánica, trabajando al 70% de su
volumen de trabajo. Este reactor cuenta con chaqueta de calentamiento donde se uso agua
controlada a ± 0.5°C por un baño térmico, esta temperatura se midió en el seno del reactor. Se
mantuvo constante la velocidad de agitación 50 rpm con un agitador Lightnin Labmaster de seis
aspas (22) y se trabajó a presión atmosférica. El tiempo de reacción fue de 60 minutos, durante
los cuales se tomaron muestras cada 15 minutos para analizarlas por DNS; estas muestras
fueron enfriadas en un baño de hielo para detener la reacción. Finalmente, en el minuto 60 se
toma una muestra del raquis para posterior análisis de celulosa y lignina por medio de las
pruebas TAPPI. Las condiciones a trabajar son:
Proporción de material seco: La carga del reactor se manejara realizando variaciones de esta
proporción de 2.5% p/v y 5% p/v (18)
Concentración de acido sulfúrico: Las concentraciones de acido a manejar serán 2.5% y 5%
v/v
Temperatura de operación: Se operara con 2 temperaturas de 80 °C y 100 °C por medio de
un baño Fischer Scientific Isotemp 3006.
+ 5 p/v A Proporción - 2,5 p/v + 5 v/v B Concentración- 2,5 v/v + 120 °C C Temperatura - 80 °C
Tabla 5. Condiciones de operación del reactor batch con agitación mecánica
Numero de referencia
A B C
1 + + + 2 - + + 3 + - + 4 - - + 5 + + - 6 - + - 7 + - - 8 - - -
Tabla 6. Combinaciones del diseño factorial 23
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Ya que cada uno de estos factores se presenta en dos niveles diferentes, se realizara un
análisis de diseño factorial 23 dando así 8 corridas en el reactor batch, cuyas combinaciones se
muestran en la tabla 6. Para garantizar la reproducibilidad del experimento, se realizara una
réplica del mismo, para un total de 16 corridas del reactor batch.
Figura 12. Hidrolisis Acida en Reactor Batch con agitación mecánica
Las condiciones de proporción, concentración y temperatura bajo las cuales se utiliza la
columna batch con recirculación, son las condiciones que, de acuerdo al diseño exploratorio,
presentan mayor cantidad de azúcares reductores y menor cantidad de lignina.
La ventaja que presenta este esquema a diferencia de los otros utilizados, es que en este
montaje se consigue que el material ubicado a lo largo de la columna esté en su totalidad en
contacto con el acido que se moviliza desde lo alto de la torre y es re-circulado con ayuda de la
succión generada por una bomba peristáltica Simon Varistaltic Pump con una potencia de 115
volt, 50/60 Hz y un flujo de 1725 mL/min.
En los montajes reportados no era posible conseguir una buena agitación del material dado
que únicamente se contaba con un agitador magnético de tamaño pequeño, y dadas las
características del material, era difícil lograr una mezcla homogénea.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Figura 13. Hidrolisis Acida en Reactor batch con recirculación
Las dimensiones del cilindro interno del reactor son: 2,5 cm de radio y 50 cm de altura, para
un volumen total de 981,74 cm3, de los cuales se uso un volumen de trabajo de 900cm3, durante
60min.
3.5. EXPLORACION DEL TRATAMIENTO CON VAPOR A BAJA PRESION
Por medio del método de explosión por vapor se logra una interacción de fuerzas térmicas,
mecánicas y químicas. El calor introducido en el reactor provoca el rompimiento y degradación
de algunas de las estructuras presentes en el material a tratar. Las temperaturas sugeridas para
ese tipo de tratamiento oscilan entre 180°C y 250°C (23).
Para este método de extracción de azúcares fermentables se utiliza el equipo de extracción
de aceite por arrastre de vapor para emular la explosión por vapor, dada su disponibilidad y
posibilidad de presurización.
En este equipo se tendrá una presión máxima de 25 psi y temperatura máxima alrededor de
128 °C donde la presurización se logra en un tiempo aproximado de 10 minutos y la descarga en
menos de 1 minuto. Cada corrida dura una hora contando desde el inicio de la primera
presurización y las muestras fueron tomadas luego de cada descarga. Al igual que en la
hidrólisis, se realizo una réplica del método.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Como se observa en la Figura 14, el equipo empleado está compuesto por diferentes válvulas
que permiten extraer muestra en diferentes puntos del proceso. Para este caso, la muestra que se
tomo cada 15 minutos fue tomada en la parte inferior del equipo, donde, luego de la
despresurización, parte del vapor presente se condensa y permite la obtención de una muestra
liquida necesaria para la determinación de azucares por medio de DNS.
Figura 14. Explosión por Vapor
3.6. DETERMINACIÓN DE CONTENIDO DE AZUCARES
Para determinar el contenido de azucares obtenido en las muestras tratadas, se realizarán dos
procedimientos analíticos, el primero la realización de pruebas con DNS y el segundo será la
ejecución de pruebas TAPPI a las muestras de raquis obtenidas al finalizar cada uno de los
métodos.
3.6.1. DNS (acido 3,5 dinitrosalicílico)
Para la realización de estas pruebas se coloca en un tubo de ensayo 5 ml de DNS y 2 ml de la
muestra, esto para cada uno de los tiempos tomados en cada corrida, para todas las corridas. La
muestra debe ser neutralizada con NaOH en un pH entre 6 y 8. Luego de esto, los tubos de
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
ensayo son colocados en un beacker con agua caliente en su punto de ebullición por un periodo
de 15 minutos, lo cual garantiza una reacción completa. Es necesario realizar una muestra de
referencia (blanco) en la cual el volumen de muestra es remplazado por agua destilada.
Figura 15. Preparación de las muestras para método DNS
Posteriormente, los tubos se dejan enfriar hasta la temperatura ambiente. Después las
muestras son colocadas en celdas, las cuales presentan diferentes colores según la concentración
de azúcar en cada una de ellas. Finalmente, las muestras son colocadas en un espectrofotómetro
Genesys 10uv a una longitud de onda de 600nm que permite la medición cuantitativa de los
azucares reductores.
Figura 16. Resultados de color en las muestras de DNS
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
3.6.2. Pruebas TAPPI
Después de haber realizado las tres pruebas de tratamiento al raquis, se determinara el
contenido de lignina por medio de la prueba de Klason (TAPPI 222), y posteriormente se
cuantificara por medio de la prueba TAPPI 203 los contenidos disponibles de α, β y γ celulosa
presenten en el material para realizar la fermentación.
3.6.2.1. TAPPI 203 Determinación de α, β y γ celulosa
Las unidades básicas de celulosa (constituida por α y β celulosa) y la hemicelulosa (formada
mayormente por γ celulosa) poseen diferentes solubilidades en ácidos y bases y esto hace
posible su separación y cuantificación.
La celulosa de alto peso molecular, α celulosa, es resistente al hidróxido de sodio en una
concentración del 17,5%. Esta celulosa puede ser determinada como la fracción no disuelta,
mediante la oxidación con dicromato de potasio. A diferencia de la α celulosa, la hemicelulosa y
la celulosa degradada (β celulosa) son disueltas en el hidróxido durante la primera oxidación.
Durante la segunda oxidación a la cual se expone el material, cuando es agregado acido
sulfúrico 3N, se produce una fracción soluble y otra fracción precipitada. La primera fracción se
oxida con dicromato de potasio y la determinación de la segunda fracción se hace por la
diferencia de las halladas anteriormente (20). Para ver esta prueba en detalle ver Anexo 1.
3.6.2.2. TAPPI 222 Determinación de lignina insoluble en acido
Este método conocido a su vez como Klason, determina la fracción de lignina que contienen
los materiales leñosos. Esta fracción es insoluble en acido sulfúrico al 72% y se determina
cuantitativamente.
Existe una porción de lignina que es soluble en el acido sulfúrico en esta concentración, y es
medida usando absorción de radiación ultravioleta. Se estima que no es superior al 5% (20).
Para ver esta prueba en detalle ver Anexo 2.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Los resultados que se muestran a continuación corresponden a las diferentes pruebas de
caracterización realizadas sobre el raquis, así como los resultados obtenidos en la hidrólisis
acida en reactor batch bajo la combinación de los diferentes factores propuestos, los resultados
de la hidrólisis acida en el reactor batch con recirculación y por último los resultados hallados
con el método de extracción de azucares de explosión por vapor.
4.1. CARACTERIZACIÓN
En la caracterización del material utilizado, se encontraron los siguientes resultados respecto
a algunas de sus propiedades físico-químicas:
4.1.1. Porcentajes: humedad, cenizas y grasa
Los resultados del porcentaje de grasa, cenizas y humedad presentes en el raquis se
encuentran en la tabla reportada a continuación.
%HUMEDAD %CENIZA % GRASA
7,46 2,06 16,00
Tabla 7. Resultados de Pruebas de Caracterización
Estos porcentajes indican algunas características importantes del material como el porcentaje
de grasa, que nos indica la cantidad de aceite que es posible retirar del raquis. También se
encontró el porcentaje de cenizas, que proporciona un estimado del porcentaje de minerales y
material inorgánico que contiene la muestra. Por último, se determino el porcentaje de humedad
el cual indica la cantidad de agua retirada mediante el proceso de secado. Este porcentaje de
humedad se realizo sobre una muestra de raquis que había sido secada previamente a
temperatura ambiente.
4.1.2. Distribución de tamaño de partícula
A continuación se muestran los gráficos obtenidos luego de realizar el análisis de la
molienda y el tamizado de las muestras. Las series representan las condiciones nombradas en la
Tabla 4. Los datos registrados y las graficas 2 y 3 representan el análisis diferencial y
acumulativo de la distribución de tamaño de partícula, respectivamente.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Gráfica 3. Análisis Diferencial de Tamaño de Partícula
Gráfica 4. Análisis Acumulativo de Tamaño de Partícula El análisis diferencial representa la masa de material retenida en cada tamiz, por otro lado el
análisis acumulativo representa el material que pasa a través de cada tamiz. Como se muestra en
las graficas, el proceso de molienda, y por lo tanto el tamaño de partícula obtenido, no se ve
afectado por las condiciones de pre-tratamiento ni por la cantidad de veces que sea pasado el
material por el molino, ya que los resultados son aproximadamente los mismos. Sin embargo las
condiciones más favorables para el manejo del raquis son las de moler el material pre-tratado,
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
ya que retirar la humedad presente y realizar una esterilización previa ayudan a evitar la
descomposición del material y el crecimiento de hongos en el mismo. Así mismo, el material
libre de humedad facilita su manipulación y molienda. De la misma manera, pasar el raquis una
sola vez por el molino nos permite obtener un tamaño de partícula deseado, el cual es menor a
3mm, y esto implica un ahorro de energía; el molino utilizado tiene un gasto energético
aproximado de 1.5kW por hora y se uso durante un tiempo de 6 horas, para un total de 9kW.
Por lo tanto, un paso adicional por el molino además de innecesario, implicaría un amento en la
energía y en el tiempo utilizado tanto a pequeña como a gran escala.
Esta reducción del tamaño de partícula, además de facilitar la manipulación del material,
aumenta significativamente el área superficial del raquis, por lo que el ácido sulfúrico diluido
tiene un mayor contacto con la superficie y facilita la hidrólisis.
4.1.3. Densidad
La densidad del raquis previo a la molienda se reporta en la Tabla 8. Como se puede ver en
los resultados, la diferencia entre las densidades tomadas con respecto al material con pre-
tratamiento (T) sin pre-tratamiento (NT) no es significativa. Sin embargo la que presenta
mayor diferencia es la densidad real, lo que indica que hay un efecto del porcentaje de humedad
del 7,46% dentro de la medición de ésta.
Sin Moler Densidad NT (Kg/m3)
Densidad T (Kg/m3)
Densidad Aparente con presión 210,24 206,42
Densidad Aparente 59,00 50,74 Densidad Real 924,17 787,02
Tabla 8. Densidades del raquis sin moler.
Por otro lado, la densidad del raquis molido es un poco mayor cuando se realiza la prueba en
material sin pre-tratamiento. Sin embargo, y como se nombro anteriormente, es necesaria la
realización de este pre-tratamiento para una mejor conservación del material. Por otro lado, la
densidad del material pre-tratado es muy similar cuando se muele una vez a cuando se muele
dos veces, lo que confirma que no es necesario un segundo paso por el molino, ya que esto no
produce una diferencia significativa en los resultados y si representa un gran ahorro de energía.
Estos datos se muestran en la Tabla 9.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Molido Densidad (Kg/m3)
NT 1 vez 286,00 NT 2 veces 362,00 T 1 vez 250,00 T 2 veces 256,00
Tabla 9. Densidades del raquis molido
Los costos estimados del pre-tratamiento, los cuales incluyen el hipoclorito utilizado en la
esterilización y el costo de los equipos de secado y molienda son:
Hipoclorito (2 Litros): $4860
Molino de Aspas (6 horas): $5000/h $30000
Secador al vacio (24 horas): $14200/h $340800
Costo Total: $375660
Este costo es el utilizado en el pre-tratamiento de la totalidad del raquis utilizado a lo largo
de este proyecto.
4.2. RAQUIS SIN TRATAMIENTO
Los porcentajes encontrados de carbohidratos (PCH) en el raquis sin tratamiento, se
obtienen mediante un balance de materia, utilizando los datos obtenidos en la caracterización
del material y el porcentaje de lignina reportado por Corpoica (24).
% GRASA %CENIZA %LIGNINA PCH 16.00 2.06 15.50 66.44
Tabla 10. Composicion del raquis
Del porcentaje estimado de carbohidratos totales en la muestra, se encontró por medio de la
prueba TAPPI 203 que la distribución de α, β y γ celulosa es la siguiente:
%alfa
celulosa
%gamma
celulosa
%beta
celulosa
93,8990 4,7493 1,3517
Tabla 11. Proporción de celulosa y lignina en el raquis
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Realizando la prueba de lignina insoluble en acido, TAPPI 222, se encontró un porcentaje de
lignina del 60,56%. Este resultado es significativamente diferente a los reportados en la
literatura (24), donde los porcentajes de lignina encontrados son de 25,47% (Loboguerrero),
4,15% (Díaz) y 15,5% (Corpoica). Esta diferencia en los resultados se puede dar por diferencias
en el tipo de palma utilizada, la edad de la misma o los tratamientos a los que es sometida en
cada una de las plantas de las cuales se obtuvieron los desechos. Sin embargo, también se puede
producir por algún tipo de error en la experimentación como calibración de los equipos o algún
tipo de error en el procedimiento que no fue detectado.
4.3. HIDRÓLISIS ACIDA
Para las variables de respuesta del experimento y con el fin de determinar las mejores
condiciones que inciden sobre la respuesta (DNS, lignina), se realizo un análisis factorial de
estos resultados por medio de Minitab.
4.3.1. Reactor batch con agitación mecánica
4.3.1.1. Determinación de azúcares Los resultados de azucares fermentables al final de cada una de las corridas en el reactor
batch, según la prueba de DNS, se muestran a continuación. La numeración utilizada en las
siguientes tablas y graficas, corresponden a la numeración utilizada en la Tabla 6 para
identificar cada combinación de factores utilizada.
Como se puede observar en la Tabla 12 y en las graficas 5 y 6, el mayor contenido de
azúcares reductores fermentables se encuentra en la prueba 1, el nivel + + + en cada uno de los
factores. La temperatura de 100°C, (usada en las pruebas 1, 2, 3 y 4), tiene una efecto
importante sobre la concentración de azucares; precisamente, para diferentes niveles de dilución
y una misma cantidad de material seco (1 y 3), se presentan rendimientos paralelos altos.
Asimismo, no existe diferencia significativa en el resultado final de la hidrólisis empleando una
baja concentración de raquis, puesto que al variar la concentración de ácido, la concentración
final es similar.
Prueba 1 2 3 4 5 6 7 8 1a Prueba 13,71834 4,22173 8,301165 4,04421 2,24876 0,655835 2,006255 0,871395
Replica 12,45034 4,39291 8,396265 4,03153 2,74328 1,185225 2,35654 0,605115
Tabla 12. Cantidad de AR en reactor batch con agitación mecánica (g/L)
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Probablemente la dilución alcanzada en esta etapa, hace que la reacción se comporte como
de orden cero respecto al ácido para estas condiciones, siendo solo importante la cantidad de
lignina alimentada al comienzo.
Gráfica 5. Azúcares reductores en reactor batch con agitación mecánica (g/L)
Gráfica 6. Azúcares reductores en reactor batch con agitación mecánica (g/L). Replica
Según fuentes consultadas (9), el porcentaje de azucares reductores que es posible alcanzar
por medio de la hidrólisis acida esta alrededor de un 30%.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Gráfica 7. Porcentaje de AR en reactor batch con agitación mecánica
Considerando los porcentajes reportados en la literatura, para la proporción de carbohidratos
(PCH), el porcentaje de conversión podría calcularse de la siguiente manera:
Gráfica 8. Conversión de AR en reactor batch con agitación mecánica
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
En la Grafica 8 se observa que en la primera combinación de factores se obtiene un gran
porcentaje de conversión de azucares, es decir, que se logra extraer cerca de la mitad de los
azucares presentes en cada muestra. Igualmente, se observa que la conversión en los factores
que utilizan una menor temperatura son considerablemente menores comparados con los de alta
temperatura.
4.3.1.2. Pruebas TAPPI
Como se observa en las graficas 9 y 10, en todos los casos se detecta celulosa y en ninguno
de ellos varían las proporciones de α, β o γ celulosa. Estas proporciones se mantienen en α
celulosa mayor al 80%, β celulosa menor al 8% y γ celulosa menores a 15%.
Respecto a los datos encontrados en la literatura, es claro que la cantidad de γ celulosa
(hemicelulosa) es menor a la reportada, hecho probablemente asociado a que el ácido sulfúrico
ataca principalmente a la hemicelulosa que a la celulosa, debido a que la primera es más
propensa a la hidrólisis ácida.
Gráfica 9. Cuantificación de celulosa en reactor batch con agitación mecánica
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Gráfica 10. Cuantificación de celulosa en reactor batch con agitación mecánica (replica)
Esta remoción rompe puentes lignina-hemicelulosa y lignina-hemicelulosa-celulosa, dejando
una mayor cantidad de celulosa y de lignina libres. Por esta razón es probable que la cantidad de
celulosa sea considerablemente más alta a la cantidad de hemicelulosa, ya que esta última es
atacada más fácilmente por el ácido y puede degradarse a lo largo de la hidrólisis. Este
fenómeno se ve ampliamente favorecido precisamente por las altas temperaturas, además de la
influencia del tipo de material utilizado, su región de procedencia y los tratamientos a los que
son expuestos en las plantas de extracción.
4.3.1.3. Análisis factorial 23 de azucares reductores
Las graficas de efectos estandarizados muestran la significancia de cada una de las
combinaciones posibles de los factores evaluados. Cuanto mas lejos se encuentren de la línea
de normalidad, mayor es su significancia, es decir, tiene mayor efecto sobre los resultados del
experimento.
La Gráfica 11 muestra que todos los factores y sus combinaciones tienen un efecto
significativo en los resultados, siendo la temperatura el factor que mayor efecto presenta,
seguido de la relación de raquis/ácido. El efecto de la concentración es mucho menor que los
otros dos factores analizados, incluso sus interacciones con la temperatura y la concentración
del ácido tienen un efecto menos significativo que la combinación de proporción - temperatura.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Gráfica 11. Efectos estandarizados de AR en reactor batch con agitación mecánica
El fuerte efecto que tiene la variación de la proporción de material solido/volumen de acido
sobre la cantidad total de azucares obtenidas se vea ligado a que al contar con una mayor
proporción de material, hay mayor numero de polímeros de lignina sobre los cuales el acido
puede actuar y desdoblar durante su tiempo de reacción en el reactor, dejando así una mayor
cantidad de azucares resultantes liberados.
La grafica de los efectos principales vs. la media del contenido de azúcares obtenidos, evalúa
los niveles de cada uno de los factores que mas influencia tiene sobre los resultados de la
experimentación. Así mismo, indican cual es el factor que tiene un mayor efecto lo cual esta
indicado por una mayor pendiente en la recta de valores medios.
En la Grafica 12, al analizar el efecto de la concentración del acido sobre el resultado de
azucares finales obtenidas, se puede notar que no existe una diferencia muy grande cuando se
cambia de un nivel a otro, esto puede deberse a que el cambio de concentraciones utilizado no
fue lo suficientemente significativo para que ocurriera un cambio notorio en el resultado,
debiendo usarse un cambio en el orden de magnitud para que esto sucediera.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
Gráfica 12. Efectos principales vs. la media del contenido de AR en reactor batch con agitación mecánica
Además, en esta grafica se puede notar que para cada uno de los niveles de los factores
evaluados el aumento de la proporción y el aumento de la temperatura incrementaron
significativamente las cantidades de azúcar resultantes en el proceso. La diferencia en la
cantidad de azucares obtenida respecto a la concentración de ácido es significativa pero
numéricamente no es tan alta.
Al analizar el comportamiento de las medias obtenidas en el diagrama de cubo, Grafica 13,
se observa que se obtiene la mayor cantidad de azucares reductores cuando los tres factores
propuestos se encuentran en su nivel mayor. Se puede apreciar adicionalmente que la variación
de la temperatura, tal y como se había comentado antes, produce el mayor rendimiento en el
producto final.
Gráfica 13. Diagrama cubo de AR en reactor batch con agitación mecánica
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4.3.1.4. Análisis factorial 23 de lignina
Los resultados obtenidos de lignina, para cada una de las combinaciones realizadas, son:
Gráfica 14. Porcentaje de lignina de reactor batch con agitación mecánica
La Grafica 14, indica que aun después del tratamiento con acido hay una presencia de
lignina en la muestra. Como se observa, la combinación de factores 1, es la que presenta menor
cantidad de lignina, al igual que las pruebas a una baja temerte.
Gráfica 15. Efectos estandarizados de AR en reactor batch con recirculación
Analizando la Grafica 15 de efectos estandarizados se puede concluir que todos los factores
estudiados presentan efectos significativos en el desarrollo de la experimentación, siendo la
temperatura el factor que mayor diferencia marca en los resultados. Aunque no se evidencia una
tendencia clara del comportamiento de disminución de porcentaje de lignina en los diferentes
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
factores y niveles estudiados, si es notable, que una vez más se confirma que la implementación
de los factores en su más alto nivel (5% de acido sulfúrico, 100°C y proporción 5% p/v)
proporcionan el mayor rendimiento en cuanto a reducción de lignina presente en el material,
factor que es altamente favorable en este estudio.
El comportamiento de desdoblamiento de la lignina puede analizarse de manera similar al
realizado sobre los resultados obtenido en la cuantificación de azucares. Todos los factores
analizados ejercen un efecto sobre el resultado final, sin embargo la temperatura en mayor
grado y luego la proporción afectan significativamente la cantidad de lignina final presente en la
muestra tratada. La temperatura en este caso ejerce la fuerza necesaria para lograr el
rompimiento de las cadenas de polímeros presentes en la lignina, pero la concentración de acido
no es lo suficientemente fuerte para realizarlo de una manera significativa en ninguno de los dos
niveles evaluados.
Sin embargo, puede que no sea conveniente trabajar en las condiciones extremas de trabajo
porque es posible que la degradación de lignina promueva la formación de furfurales, los cuales
inhiben la fermentación. Por esto es recomendable evaluar la producción de furfurales y otras
condiciones de trabajo alrededor de los niveles más altos.
4.3.2. Reactor batch con recirculación Como se mencionó anteriormente, en esta columna se realizo la hidrólisis ácida con las
mejores condiciones obtenidas en el reactor batch. Considerando el análisis anterior, estas
condiciones fueron:
• Proporción de material seco: 5% p/v (+).
• Concentración de acido sulfúrico: 5% v/v (+).
• Temperatura de operación: 100°C (+).
4.3.2.1. Determinación de azúcares
De acuerdo a los datos obtenidos en la cuantificación de los azucares reductores
comparando los métodos de hidrólisis ácida en reactor batch y la columna de flujo continuo,
evaluados bajo las mismas condiciones, se puede apreciar que el proceso donde se implementó
la columna de flujo continuo reportó niveles mayores de azúcares reductores en comparación
con el reactor con agitación mecánica, haciendo que este esquema sea el más favorable para la
implementación.
IQ-2008-I-25 IQ-2008-I-61
1a Prueba Replica min g/L g/L
0 1,37313 0,8405715 4,13103 5,81905530 10,68342 11,42044545 11,09358 11,619860 11,97484 12,17138
Tabla 13. Cantidad de Azúcares reductores en columna continua (g/L)
4.3.2.2. Pruebas TAPPI
Los resultados obtenidos en las pruebas TAPPI corroboran el análisis realizado en las
pruebas de DNS, obteniendo porcentajes elevados de α celulosa en la implementación de la
columna con recirculación, pero se observa a su vez que se mantienen las proporciones de los
porcentajes de α, β y γ celulosa. Los porcentajes de lignina son bajos comparados con los
resultados teóricos, lo que puede indicar formación de furfurales.
%alfa celulosa %gamma celulosa %beta celulosa 1a. Prueba 91,8263417 5,47343188 2,700226395
Replica 90,54165 6,71944556 2,738904438 Tabla 14. Resultados de pruebas TAPPI 203 de celulosa en Reactor con recirculación
%lignina 1a. Prueba 6,46486381
Replica 6,95549661Tabla 15. Resultados de pruebas de lignina en Reactor con recirculación
4.4. TRATAMIENTO CON VAPOR
Para realizar la comparación entre los métodos de hidrólisis y explosión por vapor, se
obtuvieron os siguientes resultados
4.4.1. Determinación de azucares Los azúcares reductores extraídos por medio del método de explosión por vapor muestran
que éste extrae casi igual cantidad de azucares que el método de hidrólisis ácida en reactor con
agitador mecánico, cuando se realiza a una temperatura de 80°C. Por lo tanto este método, como
se realizó en esta investigación, no es efectivo, aunque la utilización de equipos más sofisticados
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capaces de cumplir con las especificaciones estudiadas anteriormente en otros materiales, podría
resultar más apropiado.
1a Prueba Replica min g/L g/L 10 0,719235 0,416520 0,93321 0,8381130 2,07441 2,05697540 2,412015 2,244005
Tabla 16. Cantidad de AR en tratamiento con vapor de baja presión (g/L)
Se debe tener en cuenta que el aumento en la concentración del acido con el cual se trabaja
no reporta un cambio significativo en el resultado final de azucares obtenidos, y si implica la
inversión adicional en materiales que soporten la corrosión, el desgaste, entre otros. Según los
datos obtenidos y analizados, es de mayor utilidad, obteniendo un mayor rendimiento el manejo
de temperaturas mayores en el proceso que un cambio de concentración en este.
Gráfica 16. Cantidad de AR en tratamiento con vapor de baja presión (g/L)
4.4.2. Pruebas TAPPI
La cuantificación de la celulosa muestra las mismas proporciones de la metodología anterior,
donde la proporción de α celulosa es significativamente mayor. Los resultados obtenidos de
lignina de la explosión por vapor son mayores a los obtenidos en la hidrólisis ácida. Sin
embargo, comparándolos con los resultados del reactor continuo, se observa que hay mayor
presencia de lignina. Según lo revisado en el marco conceptual, la fenomenología de la
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explosión por vapor incorpora primero un rompimiento de la lignina (MW 2000000) hasta
unidades de 400 a 8000 Daltons, que retienen la estructura básica y son especialmente reactivas.
Puesto que en este punto la lignina es depolimerizada, es soluble en ciertos soluciones de
solventes alcalinos. Las hemicelulosas se rompen parcialmente, siendo solubles en agua.
Precisamente ciertos productos de degradación se forman con la lignina y aparentemente se
condensan con ella, aumentando el contenido de la misma., fenómeno que se ha demostrado en
esta oportunidad.
%alfa celulosa %gamma celulosa %beta celulosa 1a. Prueba 91,0923989 8,25048298 0,657118113
Replica 84,1175295 10,0406423 5,841828236 Tabla 17. Resultados de pruebas TAPPI 203 de celulosa en tratamiento con vapor de
baja presión
Luego si bien la presión del vapor no fue lo suficientemente alta, y el tiempo de carga es
relativamente alto respecto a ciertos procedimientos reportados, se logra evidenciar que son las
fuerzas de tensión generadas con el ciclo presión-descompresión, las encargadas de favorecer el
rompimiento de estos enlaces lignocelulosicos, ya que al no romperse (como resultado de la
utilización de una baja presión), la alta temperatura favorece las reacciones de degradación
(formación de dímeros) que finalmente se condensan sobre la estructura de lignina.
%lignina
1a. Prueba 8,87887103
Replica 7,71812081
Tabla 18. Resultados de pruebas TAPPI 222 de lignina en tratamiento con vapor de baja presión
En cada uno de los tres métodos empleados se observa una proporción similar en los
porcentajes de α, β, y γ celulosa, sin embargo al hacer una comparación del porcentaje de
conversión en cada uno de los métodos se ve una notable diferencia entre los obtenidos en los
procedimientos de hidrólisis acida, y de explosión de vapor. En el primer caso se tienen
porcentajes de alrededor del 50%, mientras que para la explosión por vapor este porcentaje no
supera el 20%. Este resultado se puede asociar a la presencia de acido sulfúrico en el pre-
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tratamiento de la explosión por vapor lo que produce una impregnación que ayudó a la ruptura
de algunos enlaces de lignina, liberando un porcentaje pequeño de azucares reductores.
En los tres procedimientos se observa un contenido de lignina similar, lo que demuestra que
en esa parte, los tres métodos no tienen diferencias significativas, aunque la cantidad de
azucares reductores si presentan gran variación
Gráfica 17. Comparación de cantidad de celulosa en cada método
Gráfica 18. Comparación de cantidad de lignina y porcentaje de conversión en cada método
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4.5. DISEÑO PROPUESTO PARA EXPLOSIÓN POR VAPOR
Como se observa en el análisis de resultados, y teniendo en cuanta la revisión bibliográfica
para la explosión por vapor (Anexo 9), se encuentra que las condiciones del equipo utilizado
para emular esta prueba no proporcionaba las condiciones suficientes para realizar
correctamente este método. Por este motivo se decidió proponer un diseño para un equipo de
explosión de vapor, unido a un ciclón cuya función es separar las partículas del vapor saturado.
Para el diseño del reactor se siguió el diseño propuesto por las normas ASME Capítulo VIII
y para el diseño del ciclón se siguió la Encyclopedia of chemical processing and design (25).
Donde se asumieron las siguientes condiciones (26):
Eficiencia=99,7%
Dpth=0,000984 ft
V=10 ft/s
Ns (numero de espiras)=0,75
Estas condiciones se escogieron con el fin de diseñar un equipo ideal de máxima eficiencia.
La velocidad fue elegida teniendo en cuenta velocidades de diseños encontrados en la literatura
(26). El número de espiras y el diámetro de corte se determinan por medio de relaciones
sugeridas en la guía utilizada (25).
Además, teniendo en cuenta las condiciones máximas de trabajo con vapor saturado a 300°C
y las características del raquis halladas, se utilizaron las siguientes propiedades tanto del vapor
como del raquis o partícula:
Dp=0,00984 ft
ρ gas = 2,88 Lb/ft3
ρ partícula = 15,607 Lb/ft3
µ gas = 0,074 cP
Se despeja de la siguiente ecuación Lw y se utilizan las proporciones sugeridas por la
literatura (25):
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Las dimensiones del reactor y del ciclón, así como la hoja de especificaciones de cada
uno de los equipos, se encuentran en los anexos 4, 5, 6, 7 y 8
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5. CONCLUSIONES
El raquis proveniente del procesamiento de extracción de aceite de palma posee
características propias de los materiales lignocelulósicos lo que sugiere este residuo un
candidato propicio para la extracción de azucares por medio de hidrólisis acida, explosión por
vapor, entre otros.
Para la caracterización de este material se hace necesario someterlo a un pre-tratamiento
donde se realiza una esterilización para evitar contaminación por agentes externos. En el
proceso de disminución de tamaño del material se emplea un molino de aspas donde solo es
requerido un paso por el equipo. Esta reducción del tamaño de partícula facilitar la
manipulación del material y aumenta el área superficial del raquis, por lo que el ácido sulfúrico
diluido tiene un mayor contacto con la superficie y facilita la hidrólisis. Además de esto, el
proceso de tamizado no es necesario, ya que la mayor cantidad de partículas se encuentra por
debajo del tamaño deseado (3 mm).
Al validar los datos de celulosa encontrados en el material, y por medio de la metodología
TAPPI se encontró que el material tiene un 60,563% de lignina, cantidad que difiere de la
sugerida por Corpoica de un 15,5% de lignina. Esta incompatibilidad se puede haber presentado
por diferencias en el tipo de raquis analizado o por errores en la realización de las pruebas. Por
este motivo, para la determinación de la cantidad de carbohidratos y, por lo tanto, la
determinación de los porcentajes de conversión, se tomo la decisión de trabajar con los datos
sugeridos por Corpoica ya que presentan mayor similitud a los encontrados en otras literaturas.
De la cantidad total de celulosa encontrada según estos datos (66,44%) se determinó que esta
compuesta por aproximadamente 93,95 de α celulosa, 1,35% de β celulosa y 4, 75% de γ
celulosa. Esta última indica la cantidad de hemicelulosa presente.
En el diseño factorial 23 aplicada a un reactor batch con agitación mecánica, donde se
evaluaban proporción, concentración y temperatura como factores, se encontró que el mejor
desempeño se daba en los niveles más altos de los tres factores.
Se propuso una columna batch con recirculación como un método de extracción de azucares
alterno donde se analizó el efecto de la variación del tipo de flujo. En esta columna se reprodujo
la mejor combinación de factores obtenida en el reactor batch con agitación mecánica. Con
estos resultados obtenidos, se propone el esquema de proceso para el método de hidrólisis acida
mostrado en el Anexo 3.
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Al realizar la experimentación empleando el método de explosión por vapor se encontró que
los resultados obtenidos resultaron menores a los del método de hidrólisis, dadas las
restricciones de los equipos con los que se contaron para realizar la experimentación, se
concluye que realmente no existió un choque de vapor como tal hacia el material sino una
impregnación del vapor, con ayuda del pre-tratamiento con acido diluido, que abrió
parcialmente la estructura de la lignina liberando azucares fermentables.
Al realizar la experimentación empleando el método de explosión por vapor se encontró que
los resultados obtenidos fueron menos efectivos a los del método de hidrólisis, dadas las
restricciones de los equipos con los que se conto para realizar la experimentación. Se concluye
que realmente no existió un choque de vapor como tal hacia el material sino una impregnación
del vapor, con ayuda del pre-tratamiento con acido diluido, que abrió parcialmente la estructura
de la lignina liberando azúcares fermentables.
El mejor método obtenido bajos las condiciones mencionadas anteriormente es el método de
hidrólisis acida llevada a cabo en una columna de flujo continuo, trabajando a presión
atmosférica, a temperatura de 100°C, acido sulfúrico al 5%, y una proporción residuo acido del
5% p/v.
Finalmente, el diseño propuesto de equipos para la explosión por vapor deja abierta la
posibilidad de exploración y construcción de este método, con el fin de reproducir de una
manera más eficaz las condiciones de presión y temperatura necesarias en la explosión y así
poder realizar una mejor comparación con la hidrólisis acida y con otros métodos propuestos.
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6. RECOMENDACIONES
De acuerdo a los resultados obtenidos en el presente proyecto, es conveniente tener en
cuenta las siguientes recomendaciones.
En caso de implementar el método de hidrólisis acida para la extracción se azúcares se debe
tener en cuenta que hay un gran número de posibles combinaciones y variaciones de
temperatura, concentración de acido y proporción con los cuales es posible trabajar, sin
embargo para las condiciones analizadas en este estudio, se sugiere que la experimentación se
realice con los niveles más altos donde fueron evaluados los factores, en este caso a una
temperatura de 100°C, una concentración de acido sulfúrico al 5%, y una proporción acido -
raquis de 5%.
Las pruebas para determinación de azucares se sugiere que se realicen en el menor lapso de
tiempo posible a partir de la realización de el tratamiento, ya que la reacción puede continuar a
lo largo de este tiempo. Adicionalmente se debe tener en cuenta que tanto la prueba DNS como
las TAPPI son pruebas bastante sensibles en las cuales se debe tratar de minimizar al máximo
los errores producidos durante la experimentación, para lo que se sugiere emplear durante todas
las pruebas con reactivos de un mismo lote para minimizar la presencia de ruido en la
experimentación.
Se sugiere que se realice adicionalmente una prueba de determinación de furfurales, ya que
este es una reacción lateral no deseada que inhibe el proceso de fermentación, por lo cual las
condiciones de proceso analizadas deben tener en cuenta dicha cuantificación para determinar
las mejores condiciones de obtención.
En cuanto al método de explosión por vapor, se plantea un diseño de construcción de un
reactor acoplado a un ciclón, el cual no ha sido probado experimentalmente, sin embargo se
esperaría que empleando las condiciones propuestas se logre una cantidad mayor de extracción
de azucares reductores y mayor cantidad de lignina removida durante el proceso.
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ANEXOS
Anexo 1: TAPPI 203 Determinación de α, β y γ celulosa
Para la determinación de la celulosa, se sigue el siguiente procedimiento (20):
Colocar 1,5±0,1 gramos de la muestra en un beaker de 300 ml, adicionar 75,0 ml de
NaOH al 17,5% ajustado previamente a una temperatura de 25°C±0,2°C. Anotar el
tiempo en el cual es adicionado el reactivo.
Mezclar la pulpa con un agitador hasta que se encuentre completamente dispersa. Evite
la entrada del aire a la suspensión durante el mezclado.
Cuando la pulpa este dispersa, levantar el agitador y remover las fibras de pulpa
adheridas con un mezclador de vidrio. Lavar el agitador con 25,0 ml de NaOH al
17,5%, agregándolo al beaker, tal que se adicione un total de 100,0 ml de este reactivo a
la muestra. Mezclar la muestra con un agitador de vidrio y colocar el beaker en un baño
a 25°C±0,2°C.
Figura 17. Baño para la dispersión de la celulosa
Transcurridos 30 minutos después de la primera adición del reactivo NaOH, adicionar a
la suspensión de la pulpa 100,0 ml de agua destilada a una temperatura de 25°C±0,2°C
y mezclar con un agitador de vidrio.
Dejar el beaker en el baño por 30 minutos más, tal que el tiempo total de extracción sea
60 minutos.
Al finalizar este periodo, mezclar la suspensión con un agitador de vidrio y transferir a
un crisol de filtración. Descartar los primeros 10 a 20 ml del filtrado, luego recolectar
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alrededor de 100 ml del filtrado en un matraz limpio y seco. No adicionar agua a la
pulpa, y evitar la entrada de aire a la pulpa en el filtro.
Figura 18. Filtración para la determinación de Celulosa
Determinación de α celulosa
• Pipetear 25,0 ml del filtrado obtenido anteriormente en un matraz de 250 ml.
Adicionar 10,0 ml de dicromato de potasio 0,5N. Agregar cuidadosamente, mientras
se agita el matraz, 50 ml de acido sulfúrico concentrado.
Figura 19. Reacción producida al agregar acido sulfúrico concentrado
• Dejar que la solución este caliente por 15 minutos, luego adicionar 50 ml de agua
destilada. Dejar que la solución alcance la temperatura ambiente. Luego de
transcurrido este tiempo, agregar entre 2 y 4 gotas de ferroína, y titular con una
solución sulfato amónico ferrosa 0,1N, hasta que alcance una coloración púrpura. Si
el volumen de titulación es menor a 10 ml, reducir el volumen del filtrado a 10 ml y
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el de acido sulfúrico a 30 ml. Continuar con el resto de procedimiento como se
enuncio anteriormente.
• Hacer una titulación en blanco, sustituyendo el filtrado de la pulpa con 12,5 ml de
NaOH al 17,5% y 12,5 ml de agua destilada.
Para calcular el contenido de α celulosa en la pulpa realizar el siguiente cálculo:
Donde,
V1 = Volumen de titulación del filtrado, en ml
V2 = Volumen de la titulación en blanco, en ml
N = Normalidad de la solución sulfato amónico ferrosa
A = Volumen del filtrado usado en la oxidación, en ml
W = Peso de la muestra secada en el horno, en g.
Determinación de β y γ celulosa
• Pipetear 50,0 ml de filtrado en un balón aforado con tapa de 100 ml. Adicionar 50,0
ml de acido sulfúrico 3N, y agitar la mezcla invirtiéndola.
• Calentar el balón en un baño graduado a 70°C – 90°C por algunos minutos para
permitir la coagulación de la beta celulosa. Transferir la mezcla a un embudo de
decantación, y permitir que la solución se siente por varias horas.
Figura 20. Beta celulosa precipitada
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• Pipetear 50 ml de la solución clara en un matraz de 300 ml y adicionar 10,0 ml de
dicromato de potasio 0,5N. Cuidadosamente adicionar 90 ml de acido sulfúrico
concentrado. Titular de la misma manera que se hizo para la determinación de α
celulosa.
• Hacer una titulación en blanco substituyendo la solución con 12,5 ml de NaOH al
17,5%, 12,5 ml de agua y 25 ml de acido sulfúrico 3N.
Para calcular el contenido de γ celulosa en la pulpa realizar el siguiente cálculo:
Donde,
V3 = volumen de la titulación de la solución después de precipitada la beta celulosa, en
ml.
V4 = Titulación en blanco, en ml.
Calcular el contenido de β celulosa en la pulpa, usando la siguiente fórmula:
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Anexo 2: TAPPI 222 Determinación de lignina insoluble en acido
Para la determinación de lignina, el procedimiento a seguir es:
Colocar 2,0 ±0,1 gramos de muestra a un beaker de 100 ml. Adicionar 40,0 ml de
acido sulfúrico al 72%, enfriado previamente a una temperatura de 10°C – 15°C.
Agregar el acido gradualmente mientras el material es macerado con un agitador de
vidrio. Durante la dispersión del material mantener el beaker en un baño a 2°C ±
1°C.
Figura 21. Baño frio para la dispersión del material
Después de dispersar el material, introducir el beaker en un baño a una temperatura
de 20°C ± 1°C por un lapso de 2 horas y cubrirlo con un vidrio de reloj. Agitar el
material frecuentemente para asegurar la solución completa.
Adicionar 300 – 400 ml de agua destilada a una beaker de 2000 ml, previamente
marcado en un volumen de 1540 ml, y transferir el material a este nuevo beaker.
Lavar y diluir con agua hasta el nivel marcado anteriormente, para obtener una
concentración final de acido sulfúrico al 3%.
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Figura 22. Baño de acido sulfúrico al 3 %
Dejar hervir la solución por un tiempo de 4 horas, manteniendo el volumen
constante por medio de la adición de agua caliente.
Dejar en reposo la muestra hasta que la lignina insoluble llegue al fondo del
recipiente.
Filtrar la solución sobrenadante usando un crisol de vidrio. Transferir la lignina
cuantitativamente al crisol usando agua caliente y un agitador de vidrio.
Figura 23. Montaje de filtración de lignina
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Lavar la lignina libre de acido con agua caliente.
Dejar secar el crisol con lignina en un horno a 105°C ± 3°C por 1 hora. Dejar
enfriar en un desecador y pesar.
Figura 24. Enfriamiento de crisoles con lignina
Calcular el contenido de lignina en la muestra, de la siguiente manera:
Donde,
A = Peso de lignina, en g
W = Peso de la muestra previamente secada en horno, en g.
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Anexo 3. Diagrama propuesto para el método de extracción de azúcares fermentables a partir del raquis
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Anexo 4. Plano de Reactor para Explosión por Vapor
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Anexo 5. Hoja de Especificaciones de Reactor para Explosión por Vapor DATOS GENERALES DEL EQUIPO
PINTURA: N.A COLOR: PLATEADO AISLAMIENTO: Fibra de vidrio DIÁMETRO: 900 mm LARGO: 44,12 in 1120 mm ANCHO: 6,61 in 168,4 mm
TANQUE PRESIÓN DE DISEÑO: 58015 PSI 400 Mpa 4000 bar PRESIÓN DE OPER. : 435,11 PSI 3 Mpa 30 bar TEMP.DISEÑO: °C °F TEMP.OPERA. : 300 °C 572 °F MATERIAL: Acero Inoxidable ALTURA: 24 in 609,6 mm DIÁMETRO EXT. : 6,375 in 162 mm DIÁMETRO INT. : 6 in 152,4 mm VOLUMEN DE DISEÑO: 11,2 litros 11120 ml VOLUMEN DE TRABAJO: 9 litros 9000 ml
CHAQUETA AISLANTE TEMP.DISEÑO: 540 °C 1004 °F TEMP.OPERA. : 300 °C 572 °F MATERIAL: Fibra de vidrio ALTURA: 24 in 609,6 mm GROSOR: 0,12 in 3 mm
NOTAS DOC. REFERENCIA
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ELABORADO POR:
LUISA HERNANDEZ TATIANA VILLAMIZAR
FECHA: 25/06/2008
REV DESCRIPCIÓN FECHA POR APRO. CONSTRUCCIÓN ACORDE A:
LISTA DE VALVULAS REF. CANT. DIÁM. TIPO MATERIAL SERVICIO
1 1 6" Brida - Bola A. Inoxidable Entrada material 2 1 1" Bola A. Inoxidable Salida material 3 1 2" Bola A. Inoxidable Vapor Proceso
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Anexo 6. Plano de Ciclón para Explosión por Vapor
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Anexo 7. Hoja de Especificaciones de Ciclón para Explosión por Vapor DATOS GENERALES DEL EQUIPO
MATERIAL acero ASTM 283 gr COLOR: PLATEA AISLAMIENTO: N.A GROSOR LAMINA: 3/16 in 4,7 SOLDADURA: 6013
CICLON ANCHO ENTRADA: 0,65 ft 198,DIAMETRO TUBO DE ESCAPE DE GAS: 1,3 ft 397DIAMETRO DEL CICLON: 2,61 ft 794ALTURA DE SALIDA DE GAS: 1,3 ft 397ALTURA MINIMA DEL VORTICE: 5,21 ft 132,ANGULO DE CONO: 60° EFICIENCIA DE CICLON: 98 % TEMPERATURA MAXIMA DE TRABAJO: 300 °C 572PRESION MAXIMA DE TRABAJO: 8,5 Mpa 1232,NUMERO DE VORTICES: 0,05 DIAMETRO DE SALIDA DE PARTICULAS: 1,93 ft 49 OBSERVACIONES: El interior del ciclón debe quedar completamente liso y libre de salpicaduras de soldadura. Aplicar pintura anticorrosiva.
NOTAS DOC. REFERENCIA
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ELABORADO POR: LUISA HERNANDEZ, TATIANA VILLAMIZAR FECHA: 25/06/2008
REV DESCRIPCIÓN FECHA POR APRO.
CONSTRUCCIÓN ACORDE A:
Anexo 8. Plano de montaje para Explosión por Vapor
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Anexo 9. Tabla de Condiciones de Explosión por Vapor reportadas en la literatura AUTOR PRESIÓN(MPa) TIEMPO
(min) TEMPERATURA
(°C) F.SEVERIDAD % LIGNINA
DEGRADADA % azucares c5(g/l) c6(g/l)
(Zhang, 2008) 0,8 14,48+-0,07
(Nunes, 1996) 2,2 3 min 3,91 25,6 1,4
(Nunes, 1996) 1,3 6 3,48 21,98 2,87 Sin acido
(Shimizu,1997) 2,94 2 180 - 230 21,9 34,5 (hem.) Con acido
(Karr, 1997) 216 4,6 65 (glu.)
(Wolfgang,1997) 4,1 48 (glu.+gal.)
(Angles, 2001) 2,1 - 5,4 176 - 229 2,6 - 4,5 19,2 - 24 28,6 - 39,4 (a.cel)
(Angles, 2001) 1,2 - 3,0 191 - 220 3,1 - 3,9 16,4 - 25,2 21,3 - 24,6 (a.cel)
(Hongzhang,2007) 1,5 MPa 4,5 4,25 5,50 39,6 (cel+hem.)
(Viola, 2008) 1 - 5 160 - 180 14 - 60 (glu.)
(Sanmartin, 1995) 4 220 4,1
(Sanmartin, 1995) 2 220 5,8 sin acido
(Hobaica, 1948) 1,55 60 360 37,1 61 (cel.) con acido
(Li, 2007) 5 205 3,8 50
(Datar, 2007) 3 220 7,11 46,2 (xil.)
(Bonini, 2007) 5 200 5,6 65