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1Evaluación de boniato y grano de sorgo dulce para la producción de bioetanol

EVALUACIÓN DE BONIATO Y GRANODE SORGO DULCE PARA LA PRODUCCIÓN

DE BIOETANOL

Proyecto FPTA-266 Evaluación de materiales amiláceosexperimentales desarrollados para bioenergía

(boniato y grano de sorgo dulce) para la producciónde bioetanol combustible

Directora del Proyecto: Ing. Quím. Claudia Lareo (Ph.D.)

Equipo de trabajo: Ing. Quím. Claudia Lareo (Ph.D.)*Ing. Quím. Mario Daniel Ferrari (M.Sc.)**Ing. Quím. Mairan Guigou (M.Sc.)***Valeria Larnaudie****Lic. Lucía Fajardo*****Lic. María Belén Ramírez******

El trabajo se desarrolló en el Departamento de Bioingeniería, Facultad de Ingeniería, Universidadde la República.*Profesor Agregado, docente Grado 4.**Profesor Agregado, docente Grado 4.***Asistente, docente Grado 2.****Ayudante, docente Grado 1.*****Ayudante, docente Grado 1.******Ayudante, docente Grado 1.

2 Evaluación de boniato y grano de sorgo dulce para la producción de bioetanol

Título: EVALUACIÓN DE BONIATO Y GRANO DE SORGO DULCE PARA LA PRODUCCIÓNDE BIOETANOL

Director de Proyecto: Claudia Lareo

Equipo de trabajo: Ing. Quím. Claudia Lareo (Ph.D.)*Ing. Quím. Mario Daniel Ferrari (M.Sc.)**Ing. Quím. Mairan Guigou (M.Sc.)***Valeria Larnaudie****Lic. Lucía Fajardo*****Lic. María Belén Ramírez******

Serie: FPTA N° 39

© 2012, INIA

Editado por la Unidad de Comunicación y Transferencia del Tecnología del INIA

Andes 1365, Piso 12. Montevideo - Uruguayhttp://www.inia.org.uy

Quedan reservados todos los derechos de la presente edición. Esta publicación no se podráreproducir total o parcialmente sin expreso consentimiento del INIA.


Instituto Nacional de Investigación Agropecuaria

Integración de la Junta Directiva

Ing. Agr., MSc., PhD. Álvaro Roel - Presidente

Ing. Agr., Dr. Mario García

Dr. Álvaro Bentancur

Dr. MSc. Pablo Zerbino

Ing. Agr. Joaquín Mangado

Ing. Agr. Pablo Gorriti


FONDO DE PROMOCIÓN DE TECNOLOGÍA AGROPECUARIA

El Fondo de Promoción de Tecnología Agropecuaria (FPTA) fue instituido porel artículo 18º de la ley 16.065 (ley de creación del INIA), con el destino de financiarproyectos especiales de investigación tecnológica relativos al sector agropecua-rio del Uruguay, no previstos en los planes del Instituto.

El FPTA se integra con la afectación preceptiva del 10% de los recursos delINIA provenientes del financiamiento básico (adicional del 4o/oo del Impuesto a laEnajenación de Bienes Agropecuarios y contrapartida del Estado), con aportesvoluntarios que efectúen los productores u otras instituciones, y con los fondosprovenientes de financiamiento externo con tal fin.

EL FPTA es un instrumento para financiar la ejecución de proyectos deinvestigación en forma conjunta entre INIA y otras organizaciones nacionales ointernacionales, y una herramienta para coordinar las políticas tecnológicasnacionales para el agro.

Los proyectos a ser financiados por el FPTA pueden surgir de propuestaspresentadas por:

a) los productores agropecuarios, beneficiarios finales de la investigación, opor sus instituciones.

b) por instituciones nacionales o internacionales ejecutoras de la investiga-ción, de acuerdo a temas definidos por sí o en acuerdo con INIA.

c) por consultoras privadas, organizaciones no gubernamentales o cualquierotro organismo con capacidad para ejecutar la investigación propuesta.

En todos los casos, la Junta Directiva del INIA decide la aplicación de recursosdel FPTA para financiar proyectos, de acuerdo a su potencial contribución aldesarrollo del sector agropecuario nacional y del acervo científico y tecnológicorelativo a la investigación agropecuaria.

El INIA a través de su Junta Directiva y de sus técnicos especializados en lasdiferentes áreas de investigación, asesora y facilita la presentación de proyectosa los potenciales interesados. Las políticas y procedimientos para la presentaciónde proyectos son fijados periódicamente y hechos públicos a través de una ampliagama de medios de comunicación.

El FPTA es un instrumento para profundizar las vinculaciones tecnológicas coninstituciones públicas y privadas, a los efectos de llevar a cabo proyectosconjuntos. De esta manera, se busca potenciar el uso de capacidades técnicasy de infraestructura instalada, lo que resulta en un mejor aprovechamiento de losrecursos nacionales para resolver problemas tecnológicos del sector agropecua-rio.

El Fondo de Promoción de Tecnología Agropecuaria contribuye de esta maneraa la consolidación de un sistema integrado de investigación agropecuaria para elUruguay.

A través del Fondo de Promoción de Tecnología Agropecuaria (FPTA), INIA hafinanciado numerosos proyectos de investigación agropecuaria a distintas institu-ciones nacionales e internacionales. Muchos de estos proyectos han producidoresultados que se integran a las recomendaciones tecnológicas que realiza lainstitución por sus medios habituales.

En esta serie de publicaciones, se han seleccionado los proyectos cuyosresultados se considera contribuyen al desarrollo del sector agropecuario nacio-nal. Su relevancia, el potencial impacto de sus conclusiones y recomendaciones,y su aporte al conocimiento científico y tecnológico nacional e internacional,hacen necesaria la amplia difusión de estos resultados, objetivo al cual sepretende contribuir con esta publicación.


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 112. METODOLOGÍA UTILIZADA ................................................................................ 14

2.1. Materiales ...................................................................................................... 142.1.1. Materia prima ....................................................................................... 142.1.2. Enzimas .............................................................................................. 142.1.3. Microorganismos ................................................................................ 14

2.2. Métodos .......................................................................................................... 142.2.1. Métodos analíticos ............................................................................. 142.2.2. Ensayos de secado ........................................................................... 142.2.3. Ensayos de hidrólisis y fermentaciones ......................................... 152.2.4. Cálculos .............................................................................................. 162.2.5. Análisis estadísticos de los resultados .......................................... 162.2.6. Balance de materiales y energía ...................................................... 16

3.RESULTADOS ...................................................................................................... 193.1. Caracterización físico-química de boniato y granos de sorgo

dulce 193.2. Condiciones básicas operativas seleccionadas para el secado

de boniato ....................................................................................................... 203.3. Proceso optimizado de hidrólisis del material amiláceo y selección

de un proceso de fermentación adecuado para la obtención de bioetanol a partir de boniato y sorgo .......................................................... 213.3.1. Características cinéticas y actividad enzimática de las

enzimas comerciales ......................................................................... 213.3.2. Ensayos de hidrólisis de boniato (fresco y en forma de harina) ... 213.3.3. Ensayos de fermentación de boniato ............................................... 243.3.4. Ensayos de hidrólisis y fermentación de granos de sorgo

dulce ..................................................................................................... 283.4. Caracterización primaria de los sólidos residuales del proceso de

producción de etanol a partir de boniato para su eventual valorización . 283.5. Balance de materiales y energía ................................................................ 30

3.5.1.Simulación del proceso de obtención de etanol a partir deboniato ................................................................................................. 30

3.5.2. Descripción de las etapas del proceso de simulación para obtenciónde etanol a partir de harina de boniato, boniato frescoy grano desorgo dulce .......................................................................................... 33

3.5.3. Estudio para boniato fresco .............................................................. 343.5.4. Estudio para harina de boniato y comparación con boniato

fresco ................................................................................................... 353.5.5. Estudio para granos de sorgo dulce ................................................. 38

4. CONCLUSIONES PRINCIPALES ....................................................................... 404.1. Caracterización físico-química de boniato y granos de sorgo dulce ....... 40


4.2. Condiciones básicas operativas para el secado de boniato .................. 404.3. Proceso optimizado de hidrólisis del material amiláceo y selección

de un proceso de fermentación adecuado para la obtención de bioetanol a partir de boniato y sorgo ............................................................. 40

4.4. Valorización del residuo ............................................................................... 414.5. Balance de materia y energía ...................................................................... 41

5. AGRADECIMIENTOS .......................................................................................... 426. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 42

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RESUMENEste trabajo fue desarrollado en el marco de un proyecto cuyo objetivo general fue

la promoción de la producción nacional de bioetanol combustible, mediante ladiversificación de las materias primas a utilizar y el uso eficiente tanto de la propiamateria prima como de la energía utilizada. Se evaluaron dos materias primasamiláceas experimentales, desarrolladas específicamente para la producción debioenergía: boniato y granos de sorgo dulce. El boniato usado, Ipomoea batatas K9807.1, fue desarrollado genéticamente para la producción de bioenergía sobre la basede su alto contenido de almidón y rendimiento agrícola, en detrimento de lascaracterísticas organolépticas que lo hacen atractivo como alimento. Se uso boniatofresco y boniato seco en forma de harina. En el caso de los granos de sorgo dulce, seusó aquellos provenientes de un cultivo experimental de la variedad Topper, una de lasmás promisorias por su alto contenido de azúcares de su jugo y buen rendimientoagrícola.

Se realizó la caracterización físico-química de dichos materiales de modo deevaluar las eficiencias de conversión a etanol y el uso potencial de los residuos defermentación para ración animal. Se evaluó el efecto de distintos factores que puedenafectar la hidrólisis enzimática del almidón con α−amilasa y amiloglucosidasa (AMG)comerciales y la fermentación con levadura de panificación Saccharomyces cerevi-siae, en etapas separadas y simultáneas: dosificación de las enzimas, secuencia deaplicación, perfiles tiempo - temperatura, relación sólido-líquido (concentración inicialde azúcares). Los estudios se orientaron en identificar la configuración del proceso ysus condiciones operativas que permitan la producción de la mayor cantidad productosvaliosos (bioetanol básicamente y ración animal aprovechando los residuos proteicos)y el menor uso de energía por cantidad de materia prima procesada. Se usó para elloun programa de simulación de procesos (SuperPro Designer®).

El boniato K 9807 presentó un alto contenido de almidón y azúcares solublesfermentables (sacarosa, glucosa y fructosa) que alcanzaron, el 76% de su materiaseca (expresados como equivalentes de glucosa). Los granos de sorgo dulce mostra-ron alta variación en su composición entre lotes. Contenían básicamente almidón (60,0-78,4%) y escaso contenido de azúcares libres

Las enzimas comerciales utilizadas hidrolizaron el 100% del almidón del boniato yde los granos de sorgo dulce bajo las condiciones experimentales estudiadas. Seencontró que la etapa de gelatinización previa al agregado de la α−amilasa no esnecesaria, y que el agregado de dicha enzima desde el inicio del proceso reducesignificativamente la viscosidad de la suspensión de boniato, permitiendo mejorar lascondiciones de manejo de la misma, con menor consumo de energía.

Se observó la conveniencia de realizar la sacarificación y fermentación en formasimultánea (agregado de AMG al inicio de la fermentación) para todas las materiasprimas estudiadas. De esta manera se reduce el tiempo y energía del proceso ya queno se realiza la etapa de sacarificación a 60 °C, sin afectar el rendimiento de etanol.

Al aumentar la cantidad de materia seca por volumen de agua agregado (de 1:8 a1:3), la concentración final de etanol fue mayor, alcanzando los 100 g/L. Con harina deboniato y para mayor contenido de materia seca por agua agregada, relación 1:2(mayor que la correspondiente a boniato fresco triturado sin agregado de agua), elrendimiento de etanol fue bajo, la fermentación incompleta, tuvo baja velocidad ydificultad en la homogeneización y transferencia de las suspensiones debido a la altaviscosidad. La mayor productividad de etanol se alcanzó con una relación de materiaseca a agua de 1:5. Se alcanzaron concentraciones finales de etanol y rendimientos deetanol (global y agroindustrial) para boniato en los rangos: 38-100 g/L, 300-490 L/t boniatoen base seca y 2980-4790 L/ha respectivamente. Para granos de sorgo dulce, para unasuspen- sión del material en agua con una relación 1:5, se obtuvo una concentración finalde etanol de 59 g/L y un rendimiento de 430 L etanol/t de grano de sorgo dulce en baseseca.


Los residuos de fermentación de boniato mostraron bajo nivel de proteínas encomparación con otros materiales provenientes de la industria del etanol, tales comogranos secos de destilería de maíz. Debería evaluarse su uso en conjunto con otrosmateriales que aumenten su valor alimentario.

Se elaboró un modelo de simulación de un proceso industrial que puede ser utilizadopara evaluar otras materias primas amiláceas. Se diseñó un proceso semi- continuopara una capacidad de 90.000 m3 de etanol anual, con un proceso que incluyósacarificación y fermentación simultáneas. Los valores obtenidos afirman la importan-cia de trabajar a altas concentraciones de materia seca en el medio y con unaeficiencia de fermentación alta. Por lo tanto, es importante desarrollar un proceso detransformación a etanol que reduzca los problemas de manipulación derivados de laalta viscosidad del material.

Tanto el boniato fresco como el grano de sorgo dulce resultaron dos materias primasaptas desde el punto de vista industrial para la obtención de etanol 99,2%, dado losrendimientos, las productividades volumétricas y consumo energético observados. Serequiere un estudio económico y un balance energético de la cadena agroindustrial,fuera del alcance de este proyecto, para la obtención de conclusiones más profundas.Para la harina de boniato el gasto de energía sólo en el proceso de secado, superó laenergía que se obtendría en la combustión del etanol producido.

La mejor relación de materia seca a agua total para trabajar con boniato fresco fue1:5, ya que para relaciones mayores no se apreció una reducción muy importante enel consumo energético del proceso. Para esta relación y asumiendo un 90% deeficiencia de fermentación, al aumentar el contenido de azúcares del boniato de 70 a80% por ejemplo, el consumo energético del proceso disminuyó en un 10%. Por lotanto, el incremento en el contenido total de azúcares del boniato, mediante unprograma de mejoramiento agrícola, contribuiria a una disminución en el consumoenergético del proceso. Para el grano de sorgo dulce se necesita una cantidad deazúcares totales mínima de 45% y trabajar con eficiencias de fermentación superioresal 70%, para no tener consumos de energía excesivos.


Claudia Lareo,Mario Daniel Ferrari,Mairan Guigou,Valeria Larnaudie,Lucía Fajardo,María Belén Ramírez

Proyecto FPTA 266Período de Ejecución: Mar. 2009-Jun. 2011

1. INTRODUCCIÓN

La demanda de bioetanol, dentro deuna política energética de sustitucióncreciente de los combustibles fósilesautomotores, ha motivado el estudiode materias primas alternativas no tra-dicionales. La producción de bioetanolcombustible a partir de caña de azúcary sorgo dulce prevista con la capacidadinstalada actual en nuestro país, es de26000 m3 anuales, que equivalen unasustitución de gasolina del orden del 5a 8% en vo lumen (h t tp : / /www.alur.com.uy/bellaunion.html, ac-ceso 2012-01-07). Un aumento en elnivel de sustitución requerirá diversifi-car las materias primas y la zona deproducción.

La producción de bioetanol tienecomo principales factores de costo, lamateria prima y la demanda de ener-gía. Por tal motivo es necesario contarcon materias primas con alto conteni-do de carbohidratos, procesos de trans-formación eficientes, optimizados ener-géticamente y una fuente de energíaaccesible y barata. Algunas materiasprimas como la caña de azúcar y elsorgo dulce dejan un residuo, bagazo,que se usa como combustible parasatisfacer las necesidades de energíadel proceso industrial, incluso puedengenerar un excedente de energía quese comercial iza como electr icidad.Pero otras materias primas como lasamiláceas (sorgo grano, boniato) y laremolacha alcoholígena, requieren eluso de una fuente de energía externa(fuel oil, gas natural, leña, residuosforestales). A efectos de optimizar elfuncionamiento de una planta se re-

quiere saber como afectan en el costofinal variaciones en la composición decarbohidratos en la materia prima, laconfiguración del proceso, las condi-ciones operativas, la incorporación denueva tecnología o el combustible usa-do (Kwiatkowski et al., 2006).

El boniato (Ipomea batatas) ha sidoconsiderado una buena materia primapara la producción de etanol por fer-mentación por su alto rendimiento encontenido de almidón por unidad deárea cultivada (Kim y Hamdy, 1985;Srichuwong et al., 2009; Ziska et al.,2009). El cultivo de boniato tiene variascaracterísticas que determinan su adap-tación local y elección por productoresde tipo familiar. Tiene baja exigenciade calidad de suelos, bajo costo deproducción, tiene facilidad de manejo yescasa incidencia de enfermedades yplagas, no precisa riego y es pocoerosivo porque cubre rápidamente elsuelo, protegiendo del efecto de laslluvias, además de controlar malezasproblema. Se cuenta además con unprograma de mejoramiento genético na-cional desde hace dos décadas. Laproducción local cubre el consumo na-cional. El tamaño de este mercadolimita el aumento del área y el desarro-llo del cultivo. El período de cosechade boniato en el sur es de febrero amayo inclusive. En el norte empieza unmes antes y la cosecha puede exten-derse hasta junio inclusive. Ésta sepuede realizar en cualquier momentodel ciclo, una vez alcanzado un rendi-miento favorable. En el norte, con cul-tivares precoces es posible obtenerdos cosechas por temporada. El culti-vo de boniato presenta un rendimiento

EVALUACIÓN DEBONIATO Y GRANO DE

SORGO DULCE PARA LAPRODUCCIÓN DE

BIOETANOL


potencial muy alto de etanol/ha (3600 Letanol/ha) y a un costo muy competiti-vo. La transformación previa de la ma-teria prima (secado y producción dechips o harina) puede facilitar el trans-porte y/o conservación (Vilaró et al.,disponible on line). La mayor parte desu materia seca corresponde a almi-dón (Zhang et al., 2002). Contiene ade-más azúcares simples solubles comoglucosa, fructosa y sacarosa, cantida-des menores de fibras y proteínas. Haypocos estudios en la bibliografía sobrela producción de etanol usando boniatocomo materia prima (Kim y Hamdy,1985; Yu et al., 1996; Reddy et al.,1997; Zhang et al., 2010; Zhang et al.,2011).

El cultivo de sorgo dulce presentabuen crecimiento y adaptabilidad, pu-diendo entrar en rotaciones con pastu-ras, permitiendo una explotación másracional del suelo y equilibrando lossistemas de producción de energía yalimentos (Siri-Prieto et al., 2008). Conrespecto a su producción de biomasa,este cultivo se caracteriza por presen-tar una elevada eficiencia fotosintéticay un alto rendimiento de biomasa yazúcares. De los tallos del sorgo dulcese extrae un jugo que contiene azúca-res directamente fermentables a eta-nol; además presenta una importanteproducción de granos contenidos en supanoja y material lignocelulósico pro-veniente del despunte de hojas y baga-zo residual de su procesamiento (Siri-Prieto et al., 2008; Mamma et al.,1996; Gnansounou et al., 2005; Liu etal., 2008; Almodares y Hadi, 2009;Bennett y Anex, 2009; de Vries et al.,2010). El uso del almidón de los gra-nos, en adición al uso de los azúcaresdel tallo, permitiría aumentar el rendi-miento de etanol por cantidad de plantaprocesada. Existe poca información so-bre el uso de tales granos. Los mayo-res antecedentes de uso de un mate-rial similar corresponden al sorgo gra-no (sorgo granífero) usado para la pro-ducción de bioetanol. El sorgo granotiene valor marginal como alimento di-recto humano, no utilizándose comotal en Europa y América del Sur (Kim yDale, 2004). En Estados Unidos, lamayor parte de las plantas productorasde etanol combustible utilizan maíz;

solo el 5% utiliza sorgo grano. La razónprincipal para su uso limitado es sureducida digestibilidad, y que general-mente presenta un rendimiento bajo deproducción de etanol comparado con elmaíz. Los componentes mayoritariosde los cereales son almidón, proteí-nas, fibra y lípidos (Wu et al., 2006).

Los azúcares simples solubles comoglucosa, fructosa y sacarosa son fer-mentados directamente a etanol porlevaduras. La transformación del almi-dón en etanol, requiere su hidrólisis aglucosa mediante el uso de enzimas,previo a su posterior fermentación de laglucosa a etanol. En el caso del bonia-to, la fermentación de la glucosa deri-vada del almidón se realiza junto conlos azúcares solubles presentes. Pos-teriormente el etanol formado, se sepa-ra mediante etapas de destilación ydeshidratación, para obtener un pro-ducto con la pureza deseada. La hidró-lisis del almidón implica desde el puntode vista de su proceso la realización detres etapas: a) gelatinización en lacual el almidón se dispersa en aguamediante el uso de calor y agitaciónformando una suspensión («slurry») dealta viscosidad, b) licuefacción dondetiene lugar la hidrólisis parcial del almi-dón a oligosacáridos (también denomi-nados dextrinas) al adicionar una enzi-ma α-amilasa termoestable que a suvez produce una rápida reducción de laviscosidad de la suspensión, que faci-lita su manipulación industrial (agita-ción, bombeo), y c) sacarificación don-de se produce la formación de glucosapor el agregado de la enzima amiloglu-cosidasa (AMG).

El almidón es un polímero de gluco-sa, compuesto por amilosa y amilo-pectina. La primera es básicamente unpolímero lineal de unidades de gluco-sa, unidas principalmente por enlacesa 1,4. La amilopectina es un polisacá-rido ramificado de unidades de gluco-sa, con enlaces a 1,6. Los cerealestienen diferentes proporciones de ami-losa/amilopectina. Almidones con al-tos contenidos en amilosa pueden ne-cesitar altas temperaturas de gelatini-zación y presentar problemas de resis-tencia a la acción de la α−amilasa,utilizada para hidrolizar el material.Wu et al. (2007) confirmaron el efecto


adverso del alto contenido de amilosaen la eficiencia de fermentación a partirde sorgo grano.

Un aspecto importante del procesoes el balance hídrico. Exceso de aguaagregada al proceso implica mayorconsumo de energía para separar elbioetanol formado. La destilación esuna de las etapas de mayor consumode energía y el mismo aumenta cuandomayor es la cantidad de agua a elimi-nar, esto es cuando menor es la con-centración final de etanol alcanzada enla fermentación. Se pueden obteneraltas concentraciones de etanol si elcaldo de fermentación tiene un altocontenido de azúcares fermentables.Para lograr altas concentraciones deazúcares, se debe agregar una mínimacantidad de agua a la materia primapara preparar la suspensión previa a lahidrólisis del almidón. El medio asípreparado usando raíces o tubérculoscomo materia prima, contiene alto con-tenido en sólidos y generalmente ele-vada viscosidad. Estas propiedades delmedio producen grandes dificultadesen el manejo durante el proceso, ypuede llevar a una hidrólisis incomple-ta del almidón a azúcares fermenta-bles (Zhang et al., 2010) e incluso unafermentación incompleta ya que laslevaduras serán expuestas a condicio-nes de estrés debida a la alta presiónosmótica producida por la elevada con-centración de sólidos disueltos y laselevadas concentraciones de etanolalcanzadas pueden llegar a ser tóxicaspara las células (Breisha, 2010). Adiferencia de los granos, el boniatotiene una elevada humedad (aproxima-damente 75%). Un aspecto a conside-rar es su secado previo a su procesa-miento. En este caso se debe evaluarel ahorro de manipular menor masa dematerial, el costo extra del secado y elefecto del secado sobre el desempeñodel proceso.

La biodisponibilidad del almidón pue-de diferir con los cultivares y esto pue-de afectar la velocidad de conversión yrendimiento final de etanol (Moorthy,2002). Wu y colaboradores (2006), en-contraron que otros factores que afec-tan negativamente el proceso de bio-conversión son: el contenido de tani-nos, la baja digestibilidad de proteí-

nas, la elevada viscosidad del prepara-do, y la elevada concentración del com-plejo amilasa-lípidos del preparado.

Este trabajo fue desarrollado en elmarco de un proyecto cuyo objetivogeneral fue la promoción de la produc-ción nacional de bioetanol combusti-ble, mediante la diversificación de lasmaterias primas a util izar y el usoeficiente tanto de la propia materiaprima como de la energía utilizada. Enparticular se evaluaron dos materiasprimas experimentales, desarrolladasespecíficamente para la producción debioenergía. El boniato usado, Ipomoeabatatas K 9807.1, fue desarrollado ge-néticamente para la producción de bio-energía sobre la base de su alto conte-nido de almidón y rendimiento agrícola,en detrimento de las característicasorganolépticas que lo hacen atractivocomo alimento. En el caso de los gra-nos de sorgo dulce, se usó aquellosprovenientes de un cultivo experimen-tal de la variedad Topper, una de lasmás promisorias por su alto contenidode azúcares de su jugo y buen rendi-miento agrícola (Guigou et al., 2011).

Se realizó la caracterización físico-química de dichos materiales de modode evaluar las eficiencias de conver-sión a etanol y el uso potencial de losresiduos de fermentación para raciónanimal. Se estudiaron los procesos dehidrólisis enzimática y fermentacióncon respecto a la elección de la se-cuencia de los mismos y sus condicio-nes operativas. Se evaluó el efecto dedistintos factores que pueden afectardichos procesos y por lo tanto la pro-ducción de bioetanol: tipo de enzimasa usar, dosificación, secuencia de apli-cación, perfiles tiempo - temperatura,relación sólido - líquido (concentracióninicial de azúcares), sacarificación yfermentación simultáneas o en etapasseparadas, secado del boniato. Losestudios se orientaron en identificar laconfiguración del proceso y sus condi-ciones operativas que permitan la pro-ducción de la mayor cantidad produc-tos valiosos (bioetanol básicamente yración animal aprovechando los resi-duos proteicos) y el menor uso deenergía por cantidad de materia primaprocesada. Se usó para ello un progra-ma de simulación de procesos.


2. METODOLOGÍA UTILIZADA

2.1. Materiales

2.1.1. Materia primaSe utilizó una variedad experimental

de boniato (Ipomoea batatas K 9807.1)proporcionada por INIA Las Brujas, Ca-nelones, Uruguay, en forma de harina yfresca. Se trabajó sobre dos lotes deboniato fresco cosechados en añosdiferentes, 2009 y 2010. Para obtenerla harina (cosecha 2008), el boniatofresco se cortó en forma de chips, sesecó a 55 °C hasta un 8% de humedad,y luego se molió alcanzando un tama-ño de partícula promedio de 0,4 mm.En el caso del boniato fresco, se trituróen un blender previo a su uso.

Se utilizó granos de sorgo dulce dela variedad Topper, proporcionada porINIA La Estanzuela, Colonia, Uruguay.Los granos se molieron en un molinoBühler Miag Disc Mill DLFV. La granu-lometría del 99,78% de las partículasde harina de sorgo fue menor a 1,2 mm.Se utilizaron dos lotes de granos, decosechas diferentes.

2.1.2. Enzimas

Se usaron enzimas comerciales,α-amilasa (Liquozyme® SC) y amilo-glucosidasa (AMG, Spirizyme® Fuel),gentilmente donadas por Novozymes,Brasil.

Previo a los ensayos, se evaluó laactividad de las mismas. Se definióuna unidad de actividad enzimática (U)de α-amilasa como la cantidad de en-zima que libera 1 g/L de azúcares re-ductores equivalentes de glucosa porminuto. Para la determinación de laactividad de la α-amilasa se trabajócon una solución de almidón de papa(SIGMA) al 1% en buffer citrato 1 M,gelat inizada durante 15 minutos a90 °C, pH 5.7-5.9, y temperatura en elrango 82 °C-86 °C. La α-amilasa usadatenía una actividad de 150 U/mL.

Se definió una unidad de actividadde AMG (U) como la cantidad de enzi-ma que libera 1 g/L de azúcares reduc-tores equivalentes de glucosa por mi-

nuto. Para la determinación de la acti-vidad de la AMG se trabajó con unasolución al 2% de maltosa en buffercitrato 1 M, pH 4.0 y 60 °C. La AMGusada tenía una actividad promedio de1000 U/mL (Fajardo 2011).

2.1.3. MicroorganismoSe usó levadura de panadería co-

mercial, Saccharomyces cerevisiae(Fleischmann).

2.2. Métodos

2.2.1. Métodos analíticosLas concentraciones de glucosa,

fructosa, sacarosa, etanol y glicerol enlos ensayos de caracterización, hidró-lisis y fermentación de boniato, se de-terminaron por HPLC usando un equipoSh imadzu con co lumnas ShodexSUGAR KS-801 o Phenomenex RezexRPM-Monosaccharide y detector deíndice de refracción (RID-10A).

La determinación de azúcares li-bres (glucosa, fructosa y sacarosa) enel boniato se realizó suspendiendo elmaterial en etanol al 80%; la soluciónresultante se analizó por HPLC.

La concentración de azúcares re-ductores se determinó por la técnicadel DNS usando glucosa como están-dar (Miller, 1959).

El contenido de almidón se determi-nó por el método de α-amilasa/glu-coamilasa seguido de HPLC segúnNREL (Sluiter y Sluiter, 2005), proteí-nas por Kjeldahl, y cenizas, fibra ylípidos según AOAC (proteína método984.13, 16ª Ed. 1995; grasas y aceitesmétodo 948.16, 16ª Ed. 1995; fibracruda método 962.09, 16ª Ed. 1995).La humedad se determinó por secado a60 °C.

La concentración celular se deter-minó por recuento directo al microsco-pio en cámara de Neubauer.

2.2.2. Ensayos de secadoLos ensayos de secado se realiza-

ron en un secador tipo túnel usandoboniato lote 2010. El boniato se trituróy se secó bajo las siguientes condicio-


nes experimentales: temperatura (55 ó95 ± 3) ºC, velocidad del aire 0,5 m/s,espesor inicial del lecho 1.5 cm, masainicial de boniato aproximadamente de1 kg. Se midió la variación de masa enfunción del tiempo. Se realizó análisisde almidón, azúcares libres y humedadantes y después del secado. Previo alos análisis, el boniato seco fue molidoen un molino Bühler Miag Disc MillDLFV. Los ensayos se realizaron portriplicado.

2.2.3. Ensayos de hidrólisis yfermentación

Ensayos de hidrólisis de boniatoEn todos los ensayos con boniato

que se realizaron para el estudio de lahidrólisis de almidón, se utilizó unasuspensión de boniato con una rela-ción materia seca a agua de boniato de1:5. Se estudió la hidrólisis para bonia-to fresco y en forma de harina. Serealizaron entre 2 y 10 replicaciones decada ensayo.

Ensayos de gelatinización de bo-niato. Se estudió el efecto de la tem-peratura de gelatinización sobre la hi-drólisis de boniato fresco y seco (hari-na) a 90 °C, 100 °C y 121 °C. Lascondiciones de trabajo fueron 300 mLde suspensión y pH 5.8. Se mantuvo lasuspensión durante 15 minutos a latemperatura estudiada.

Ensayos de licuefacción de bo-niato. Las condiciones de trabajo fue-ron 300 mL de solución gelatinizada apH 5.8 y 86 °C. La reacción se detuvocon ácido tricloroacético (TCA) 40% ocon NaOH 0.06 M a distintos intervalosy se midieron los azúcares reductoresformados. Se estudiaron dos dosifica-ciones de la enzima: 2.7 y 5.4 µL porgramo de materia prima en base seca,en la suspensión de harina de boniato.

Ensayos de viscosidad de mediocon boniato. Con el fin de estudiar lascaracterísticas de gelatinización de lassuspensiones de boniato, se realiza-ron ensayos donde se determinó elperfil temperatura-viscosidad-tiempo deuna suspensión de harina de boniatoutilizando un reómetro Anton Paar Phy-sica MCR 301. Se realizaron ensayosde gelatinización con posterior licue-

facción y gelatinización y licuefacciónsimultáneas, según se detalla másabajo.

a) Ensayos de gelatinización con li-cuefacción posterior

Una solución de harina de boniatose mantuvo bajo agitación constante a50 °C durante 1 minuto, luego se ca-lentó a 90 °C a velocidad constante yse mantuvo a esta temperatura por 15minutos. Luego se agregó la enzimaα-amilasa (5.4 µL por gramo de materiaprima en base seca) y se dejó actuardurante 30 minutos bajo agitación avelocidad constante.

b) Ensayos de gelatinización y licue-facción simultáneas

Una solución de harina de boniatocon el agregado de la enzima α-amila-sa (5.4 µL por gramo de materia primaen base seca) se mantuvo a 50 °C por1 minuto bajo agitación constante, yluego se calentó a 90 °C manteniéndo-se a dicha temperatura durante 20 mi-nutos.

Ensayos de sacarificación de bo-niato. Luego de cada ensayo de gela-tinización y licuefacción, se agregóAMG (5.4 µL por gramo de materiaprima en base seca). Se trabajó a pH 4,60 °C, durante 60, 75 y 90 minutos. Lareacción fue frenada con NaOH 0.06 M,a diferentes intervalos y se midieronlos azúcares reductores formados.

Ensayos de hidrólisis de boniatosin gelatinización previa. A la sus-pensión de boniato con el pH ajustadoa 5.7-6.0, se le añadió amilasa (5.4 µLpor gramo de materia prima en baseseca) y se llevó a 86 ºC. Las reaccio-nes fueron frenadas con NaOH 0.06 Me inmersión de la suspensión en bañode agua con hielo. La sacarificación serealizó luego, llevando la solución ob-tenida a 60 ºC, pH 4.0, con el agregadode 5.4 µL de AMG por gramo de materiaprima en base seca.

Ensayos de hidrólisis de granos desorgo dulce

Se estudió el proceso de hidrólisisde almidón de granos de sorgo dulcecon la misma dosificación y condicio-nes utilizadas para el boniato: 90 min a


86 ºC, pH 5.8 con 5.4 mL de α amilasa porgramo de sustrato en base seca, y 60min a 60 ºC, pH 4 con 5.4 mL de AMG porgramo de sustrato en base seca.

Ensayos de fermentaciónSe realizaron ensayos de fermenta-

ción en matraces de 500 mL con300 mL de medio y en fermentador de1.5 L, utilizando boniato fresco, harinade boniato y granos de sorgo dulcemolidos. Se estudiaron distintas rela-ciones de materia seca a agua. Lasrelaciones se expresan en peso y lacantidad de agua incluye tanto el aguaagregada como el agua aportada por elpropio boniato. En el caso de boniatofresco las relaciones estudiadas fue-ron 1:2.2 (corresponde al boniato tritu-rado sin agregado de agua) y 1:5. Parala harina de boniato se estudiaron lassiguientes relaciones: 1:2, 1:3, 1:5 y1:8. Las fermentaciones con granos desorgo dulce se realizaron para una re-lación materia seca a agua de 1:5. Setomaron muestras a distintos tiempos.Debido a las altas viscosidades y con-centración de sólidos en el medio, tam-bién se utilizó la metodología de matra-ces de «sacrificio» con matraces de250 mL conteniendo 150 mL de medio.En este caso se analiza todo el conte-nido del matraz.

Para la preparación del inóculo lalevadura se cultivó en un medio prepa-rado utilizando la materia prima (bonia-to o sorgo) , y sup lementado con(NH4)2SO4 0.24 g/L y MgSO4.7H2O0.12 g/L en matraces Erlenmeyer de500 mL. El pH fue ajustado a 5.8-6.0,se agregó α-amilasa (5.4 µL por gramode materia prima en base seca) y semantuvo a 86 ºC por 90 minutos. Luegola suspensión se enfrió a 60 ºC, el pHfue ajustado a 4.0, se agregó AMG(5.4 µL por gramo de materia prima enbase seca), y se mantuvo a 60 ºCdurante 30 minutos. El pH del medio seajustó a 4.5, se pasteurizó a 100 ºC por30 minutos. Se inoculó con 5 gramosde levadura seca a temperatura am-biente y se incubó en un agitador orbi-tal a 30 ºC y 150 rpm por 12 horas.

El medio de cultivo para los ensayosde fermentación se preparó agregandola materia prima al matraz Erlenmeyero fermentador, el cual contenía la can-

tidad de agua destilada necesaria parapreparar una relación materia seca aagua dada. Se ajustó el pH a 5.8-6.0 yse agregaron 5.4 µL por gramo de ma-teria prima en base seca de α-amilasa.La suspensión se mantuvo a 86 ºCdurante 90 minutos bajo agitación.

La sacarificación se realizó antes(SHF) y durante (SSF) la fermentación.Cuando se realizó la sacarificaciónantes de la fermentación, la suspen-sión se enfrió a 60 ºC, se ajustó el pHa 4.0, y se agregaron 5.4 µL por gramode materia prima en base seca deAMG. La suspensión se mantuvo a60 ºC durante 30 minutos. Se ajustó elpH a 4.5, se pasteurizó a 100 ºC duran-te 30 minutos, y luego de enfriada lasuspensión a temperatura ambiente,se inoculó. Para los ensayos de saca-rificación y fermentación simultánea(SSF), luego de la licuefacción, seenfrió la solución a 30 ºC, se ajustó elpH a 4.5, y se pasteurizó a 100 ºC por 30minutos. Inmediatamente luego de la ino-culación se agregaron 5.4 µL por gramode materia prima en base seca de AMG.

Los ensayos de fermentación serealizaron a 30 ºC y con una concentra-ción inicial de levaduras de alrededorde 1x108 células/mL. En el caso deensayos en matraces la incubación serealizó en un agitador orbital a 100rpm. En el caso del fermentador, laagitación fue de 200 rpm. A distintostiempos se retiraron muestras a las cua-les se les realizó recuento de células encámara de Neubauer, determinación decontenido de azúcares (glucosa, fructo-sa y sacarosa), etanol y glicerol. Losensayos se hicieron por duplicado.

Se estudió la fermentación de gra-nos de la panoja de sorgo dulce de lavariedad Topper con relación materiaseca a agua 1:5 en matraces sin agre-gado de sales siguiendo la metodolo-gía previamente descripta para el bo-niato y en un matraz con agregado desales, retirando muestras cada 6 ho-ras. Se realizó también una fermenta-ción sin agregado de sales en un reac-tor de laboratorio de 1.5 L.

2.2.4. CálculosEl contenido de almidón expresado

en equivalentes de glucosa se determi-


nó multiplicando dicho valor por el fac-tor 1.11 (g equivalentes de glucosa/galmidón). Este factor corresponde alos gramos de glucosa que pueden serobtenidos a partir de 1 g de almidón((C6H10O5)n):

(C6H10O5)n + n H2O n C6H12O6

almidón glucosa

El contenido de sacarosa expresa-do en equivalentes de glucosa se deter-minó multiplicando dicho valor por elfactor 1.05 (g equivalentes de glucosa/gsacarosa). Este factor corresponde a losgramos de glucosa que pueden ser ob-tenidos a partir de 1 g de sacarosa(C12H22O11):

C12H22O11 + H2O 2 C6H12O6

El cálculo de los porcentajes dehidrólisis para cada etapa estudiadase realizó de la siguiente manera:

2.2.5. Análisis estadístico de losresultados

Los errores para cada variable fueronestimados como la desviación estándarde los ensayos replicados.

Se realizaron análisis de ANOVA(análisis de varianza) con los datos ex-perimentales obtenidos de concentra-ción de etanol final, rendimientos y efi-ciencias globales, para comprobar silas diferencias encontradas entre ellospara los distintos procesos ensayadoseran estadísticamente significativas.Para ello se utilizó el programa Kalei-daGraphTM, Synergy Software. Diferen-cias entre las medias fueron consideradassignificativas cuando p < 0.05.

2.2.6. Balance de materiales y energíaEl análisis del proceso de produc-

ción de bioetanol combustible a escalacomercial se estudió con la herramientade software SuperPro Designer®, Inte-lligen Inc. versión 8.0. Se evaluó el usode la materia prima y el uso de energíaen la producción de etanol, utilizandodiferentes configuraciones de procesosy valores de parámetros operativos.

Las materias primas utilizadas fue-ron boniato (fresco y en forma de harina)y grano de sorgo dulce. La etapa desacarificación se consideró en formasimultánea a la fermentación. En elCuadro 1 se muestra un ejemplo decontenido de azúcares, proteínas, sóli-dos no-fermentables y humedad de lasmaterias primas utilizadas en la simula-ción. La cantidad de material a alimen-tar a la planta varía de acuerdo a lasituación analizada y según la materiaprima utilizada.

El cálculo de las eficiencias globa-les se realizó de la siguiente manera:

(*)teórico

alexperiment

etanoletanol (%) Eficiencia =

(*) considerando la conversión estequio-métrica de los azúcares teóricos fer-mentables del boniato

El cálculo del rendimiento de etanolexpresado en litros de etanol por kg deboniato seco se realizó de la siguientemanera:

Cuadro 1. Composición promedio de las materias primas estudiadas

% en peso. bs: base seca.

*Densidad etanol = 0.7894 g/L a 20 °C.

Azúcarestotales en

equivalentesde glucosa

(% bs)

Sólidos nofermentables

(% bs) primas (%) (% bs) (% bs)

Azúcares libres (% bs) Materias Humedad Proteínas Almidón

Glucosa Fructosa SacarosaBoniatof resco 72,4 3,5 56,3 2,4 2,6 8,0 75,9 27,2

Harina deboniato 8 3,5 56,3 2,4 2,6 8,0 75,9 27,2

Grano desorgo dulce 10,4 11,6 60,6 0,2 0,2 1,0 68,7 26,4


Relación de Contenido de Tiempos de fermentación (h) materia seca a materia seca agua (en peso) (kgmateria seca/ kgagua total) Boniato Harina de Grano de

fresco boniato sorgo dulce1:8 0.13 14 14 141:6 0.17 15 15 141:5 0.20 16 16 151:4 0.25 20 20 211:3 0.33 26 —— 361:2.2 0.37 36 36 ——1:2 0.50 —— 48 48

Rango estudiado Materia prima Contenido Relación de Contenido de Eficiencia de Humedad

de azúcares materia seca materia seca fermentación finaltotales (%) agua (en peso) (kg materia seca/ (%) (%)

kg agua total)

Boniato fresco 69 – 82 1:8 – 1:2.2 ** 0.13 – 0.37 70 – 92 ——

Harina de boniato 69 – 82 1:8 – 1:2 0.13 – 0.50 70 – 92 8 – 20

Grano de sorgo dulce 40 – 75 1:8 – 1:2 0.13 – 0.50 70 – 92 ——

Se estableció como caso base deestudio una producción anual de bioeta-nol anhidro de 90.000 m3. Esta capaci-dad corresponde a la ampliación previstaen la producción nacional de bioetanolcombustible en los próximos años. Lacalidad del bioetanol a obtener, 99.2 %(v/v) se definió en base a la especifica-ción vigente para el producto anhidro(UNIT 1122:2009). Se supuso que la plan-ta trabaja las 24 horas del día, durante320 días al año (~ 7680 h), destinando losrestantes 45 días para abastecimiento,limpieza, mantenimiento y reparacionesde equipos. La capacidad nominal de laplanta corresponde a 130 t/h de boniato.

Los datos del caso base tomado se resu-men en el Cuadro 2.

Se estudió el efecto de la variabilidaddel contenido de azúcares de la materiaprima, la eficiencia de la fermentación yde la relación materia seca a agua (ex-presada en kg sólido seco por kg de aguatotal) sobre el consumo energético. Parael caso de harina de boniato, se incluyóel consumo de energía del proceso desecado, considerando diferentes hume-dades finales. Los rangos estudiadospara cada materia prima se muestran enel Cuadro 3. Los tiempos de fermenta-ción para cada una de las relaciones, seestablecieron de acuerdo a los datosobtenidos experimentalmente (Cuadro 4).

Cuadro 2. Datos del caso base de producción industrial de boniato

(*) Expresado en etanol 100%.

Cuadro 3. Rango de valores de los parámetros estudiados

* Azúcares totales expresados como equivalentes de glucosa.**La relación 1:2.2 corresponde a boniato fresco sin agregado de agua.

Parámetros Valores

Capacidad (m3/d) (*) 282Producción anual (m3/año) (*) 90000Tiempo de operación de la planta (días) 320Etanol (% en volumen) > 99,2

Cuadro 4. Tiempos de fermentación para las distintas relaciones materia seca a agua


El programa de simulación dimen-siona y cuantifica los requerimientosenergéticos del proceso considerandolos consumos de cada equipo. Para eldimensionamiento de dichos equipos,se ingresaron datos de composicionesy propiedades fisicoquímicas de losdiferentes insumos (materia prima, pro-ductos químicos, etc.), los flujos mási-cos de entradas al proceso, volúmenesmáximos de equipos, áreas máximasde intercambio, coeficientes de trans-ferencia de calor y masa, entre otrosparámetros propios de cada equipo.Dependiendo de las distintas situacio-nes planteadas, se modificaron los flu-jos de entradas de las materias pri-mas, algunos de los equipos utiliza-dos, su número, agentes de transfe-rencia de calor, número de tachadaspor año, números de tachadas en lasecuencia de tachadas múltiples, tiem-pos de fermentación, volúmenes útilesmáximos, entre otros, para poder lo-grar los valores de los parámetros fija-dos que se presentan en el Cuadro 2.Los distintos tipos de equipos fueronseleccionados dentro de un banco deinformación que cuenta el propio pro-grama, eligiendo los más utilizadosdentro de la industria de producción de

bioetanol para una escala similar. Paraseleccionar los equipos se trató deintegrar procesos, recirculando algu-nos flujos para minimizar el consumode materiales y el gasto energético.

El consumo de energía fue calcula-do considerando tanto el consumo eléc-trico de los equipos, como el consumode los distintos vapores utilizados enel proceso.

3.RESULTADOS

3.1. Caracterización físico-química de boniato y granos de

sorgo dulce

Se realizó la caracterización de bo-niato de la variedad Ipomoea batatas K9807.1 (fresco y harina) y de dos mues-tras de granos de sorgo dulce. Losresultados obtenidos se resumen en elCuadro 5.

Se observó que el boniato frescotenía un contenido mayor de almidónque en forma de harina. Sin embargo,el contenido de sacarosa fue menor enel fresco que en la harina. Un análisis

Cuadro 5. Caracterización del la materia prima

bs: base seca.——— No se realizó el análisis.

Analito Boniato fresco

Harina de boniato

Harina de granos de sorgo dulce

Lote 2009 Lote 2010 Lote 1 Lote 2

Humedad (%) 73.0 68.6 7.7 10.4 12.8

Almidón (%bs) 56.3 61.4 51.1 60.6 78.4

Azúcares libres

Glucosa (%bs) 2.4 4.4 2.2 0.2 0.2

Fructosa (%bs) 2.6 2.9 1.6 0.2 0.2

Sacarosa (%bs) 8.0 5.6 15.6 0.0 0.0 Azúcares totales expresados en equivalentes de glucosa (% bs) 75.3 81.3 76.9 67.7 87.4

Fibras (% bs) 1.0 1.3 3.0 ----- -----

Proteínas (% bs) 3.5 0.2 6.6 ----- -----

Fósforo (% bs) ----- 0.5 ----- ----- -----

Grasas (% bs) 0.3 0.2 1.8 ----- -----

Ceniza (% bs) 4.1 ----- 2.2 ----- -----


global del contenido de azúcares de laharina y del boniato fresco, expresadoen equivalentes de glucosa, da los si-guientes valores: 76.9%, 75.3% y81.3% para harina de boniato y boniatofresco lote 2009 y 2010 respectivamen-te. Por lo tanto, se puede concluir queel contenido de azúcares fermentablesde estos materiales fue similar. Seobservó un menor nivel de proteínas enel lote 2010 que en el lote 2009.

Es de destacar en la caracteriza-ción de la materia prima la gran variabi-lidad en su composición. En el conte-nido de almidón, el porcentaje de errorfue de 4% para la harina de boniato y12% para el boniato fresco. Se justificamás la variabilidad en el boniato fres-co, ya que son ensayos realizadossobre un lote de menor tamaño conboniatos independientes, mientras quela harina de boniato es una muestra deun lote único de una cosecha anterior.

También se observó diferencias enla composición de azúcares entre losdos lotes de granos de sorgo dulceensayados.

3.2. Condiciones básicasoperativas seleccionadas para

el secado de boniato

Se evaluó el secado de la materiaprima sobre el rendimiento de etanol.El material fue caracterizado antes ydespués del secado, obteniéndose losresultados que se muestran en el Cua-dro 6. En el ensayo de secado a 55 ºCse alcanzó una humedad de 7.8% lue-go de 28 h, y en el de 95 °C la humedadalcanzada fue 7.2% luego de 18 h. Enla Figura 1 se presentan los perfiles demasa en función del tiempo de secado.

No se observó pérdida significativani en almidón ni en azúcares libres

Cuadro 6. Caracterización de boniato fresco y luego del secado

(±) Valores de desviaciones estándar para valores replicados (3 a 6 réplicas).

Figura 1. Perfiles de masa en función del tiempo para el secado deboniato a 55 y 95°C.

Temperatura de Muestra Almidón secado (°C) (% bs) Glucosa Fructosa Sacarosa

55 Inicial 60,4 ± 3,9 4,38 ± 0,11 2,87 ± 0,06 5,55 ± 0,08Final 69,0 ± 1,4 3,56 ± 0,04 3,55 ± 0,02 4,63 ± 0,11

95 Inicial 60,7 ± 2,1 3,92 ± 0,06 2,96 ± 0,11 5,01 ± 0,15Final 59,7 ± 1,2 2,22 ± 0,03 3,30 ± 0,03 1,76 ± 0,07

Azúcares libres (% bs)

1000

900

800

700

600

500

400

300

Mas

a (g

)

Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30

Secado 55 °C

Secado 95 °C


luego del secado. La pérdida de masaobservada durante el ensayo coincidiócon la pérdida de agua calculada a partirde las humedades determinadas experi-mentalmente.

Se realizó la hidrólisis del materialsecado a 55 °C y a 95 °C en las mismascondiciones optimizadas para los ensa-yos con harina de boniato y boniato fres-co (sección 3.3). Se llegó a una hidrólisistotal del 100% tanto para el materialsecado a 55 °C, como para aquel secadoa 95 °C, por lo que se concluyó que estascondiciones de secado no afectan lahidrólisis del material.

3.3. Proceso optimizado dehidrólisis del material amiláceo y

selección de un proceso defermentación adecuado para laobtención de bioetanol a partir

de boniato y sorgo

3.3.1. Características cinéticas yactividad enzimática de las enzimascomerciales

Se realizaron ensayos con almidónsoluble de papa (SIGMA) con el fin decaracterizar el comportamiento de lospreparados enzimáticos comerciales dis-ponibles, ya que el fabricante recomien-da dosis de uso pero no reporta la activi-dad de sus preparados. Previo a su usose determinó su actividad y su desempe-ño para la hidrólisis enzimática de almi-dón de papa, usado como sustrato mo-delo.

En los estudios de validación de lospreparados enzimáticos comerciales seencontró una hidrólisis de prácticamenteel 100% de una solución 1% de almidónsoluble en buffer citrato 1 M, en las con-diciones estudiadas.

3.3.2. Ensayos de hidrólisis deboniato (fresco y en forma de harina)

Se evaluó el secado de la materiaprima sobre la hidrólisis del almidón deboniato. Se estudiaron las etapas degelatinización (calentamiento de la sus-pensión en el rango 90 °C a 121 °C),licuefacción (agregado de α-amilasa) ysacarificación (agregado de amilogluco-

sidasa) de suspensiones de harina deboniato y boniato fresco, utilizando unarelación de materia seca a agua 1:5. Laelevada viscosidad de las suspensionesdificultó en forma considerable la toma yanálisis de las muestras. Con harina deboniato se trabajó con dos dosificacio-nes de las enzimas.

Asimismo, se determinaron las densi-dades de las enzimas por volumen ypesado con el fin de conocer con mayorexactitud la dosificación de enzimas pro-puesta por el fabricante. Se observó quelas dosificaciones utilizadas en este es-tudio fueron menores que las recomen-dadas por el fabricante.

Ensayos de gelatinización de boniatoSe observó un gran aumento en la

viscosidad de la solución y mayor homo-genización del medio al aumentar la tem-peratura de gelatinización. Un mediohomogéneo sugeriría una mejor accesi-bilidad de las enzimas hidrolíticas a losenlaces químicos «objeto» del almidón(Delgado et al., 2009). Luego de la gela-tinización se obtuvieron valores prome-dio de concentración de azúcares reduc-tores de 43, 57 y 52 g equivalentes deglucosa/L para harina de boniato y 62, 69y 54 g equivalentes de glucosa/L paraboniato fresco, para temperaturas de 90,100 y 121 °C respectivamente. Estosvalores se corresponden con porcentajesde hidrólisis en el rango 34-45% y 47-61%, para la harina de boniato y el bonia-to fresco respectivamente sin agregadode enzima. Se obtuvo un mayor porcen-taje de hidrólisis de almidón a 100 °Ctanto para harina de boniato como paraboniato fresco (61 y 45% respectivamen-te).

Los azúcares reductores obtenidosmedidos luego de la gelatinización yantes de la etapa de licuefacción, fueronllamativamente altos. De acuerdo con lacaracterización química realizada, parala harina de boniato se debería obtener7 g/L, mientras que en la suspensión conboniato fresco se debería obtener 9 g/Lequivalentes de glucosa. El alto conteni-do de azúcares observado luego de lagelatinización, mayor al de los azúcareslibres del propio boniato (sin agregadode la enzima), sugiere que durante eltratamiento térmico se produce una


hidrólisis parcial del almidón de bonia-to, hipotéticamente debido a enzimashidrolíticas propias del boniato.

Se observó gran dificultad en la ho-mogeneización y extracción de la mues-tra debido a su alta viscosidad. Estarazón y la alta variabilidad observadaen la composición de la materia prima,son los principales factores que expli-can la obtención de valores de eficien-cia de hidrólisis superiores al 100%(después de la acción de la α-amilasay AMG) y el alto nivel de incertidumbrereportado.

Ensayos de licuefacción de boniatoLa etapa de licuefacción involucra la

hidrólisis parcial del almidón por laadición de α-amilasa. Se obtuvieronporcentajes de hidrólisis para la etapade licuefacción en el rango de 61% -74% para la harina de boniato y 78% -80% para el boniato fresco, para lasdistintas condiciones de gelatinización,a los 90 minutos de reacción, utilizan-do 5.4 mL/gmateria seca de a-amilasa.

En la Figura 2, se observan losperfiles de azúcares reductores y tem-

Figura 2. Perfiles de azúcares reductores y temperatura durante lalicuefacción de la harina de boniato para dosificaciones deenzimas de 5.4 µL/gmateria seca. (a) Gelatinización a 90 °C (eltiempo 0 corresponde al tiempo inmediatamente antes delagregado de la α-amilasa); (b) sin gelatinización.

100

80

60

40

20

0Con

cent

raci

ón (

g/L)

; te

mpe

ratu

ra (

°C)a )

100

80

60

40

20

0Con

cent

raci

ón (

g/L)

; te

mpe

ratu

ra (

°C)b)

Tiempo (min)0 20 40 60 80 100

Tiempo (min)0 20 40 60 80 100

Azúcares reductores

Temperatura

Azúcares reductores

Temperatura


peratura típicos obtenidos para la li-cuefacción del almidón de la harina deboniato, cuando se trabajó (a) habiendorealizado la gelatinización a 90 °C pre-via al agregado de la α-amilasa y (b) sinla etapa de gelatinización. No se ob-servaron diferencias significativas enla cantidad de azúcares reductores al-canzados a los 90 min de reacción (71y 77 g/L para los ensayos (a) y (b)respectivamente). No se encontró dife-rencia significativa para la hidrólisis deestos dos ensayos: 61% y 58% res-pectivamente. En los ensayos de gela-tinización y licuefacción simultáneos,luego de 40 min la temperatura alcanzóel valor óptimo recomendado por elfabricante para la α-amilasa (86 °C), yla concentración de los azúcares re-ductores llegó a un valor constante.Varios investigadores han llegado adiferentes conclusiones sobre el tiem-po necesario para la etapa de licuefac-ción. Algunos recomiendan la adiciónde la AMG mientras la α-amilasa estáactuando. Esto se basa en que la AMGgeneralmente presenta inhibición porla presencia de carbohidratos como laglucosa. Otros demostraron que la ac-ción de la α-amilasa necesita algunashoras antes de la adición de la AMGpara reducir la viscosidad del medio ypermitir una hidrólisis eficiente (Mon-tesinos y Navarro, 2000). En este tra-bajo se encontró que 90 min fueronsuficientes para alcanzar porcentajesde hidrólisis finales de 100%.

Cuanto mayor sea la concentraciónde sustrato utilizada, mayor será laconcentración de etanol obtenida si nohay inhibición en la fermentación. Estocontribuye a la disminución de los cos-tos de producción del proceso indus-trial (destilación). Sin embargo, al au-mentar la concentración de sustrato laviscosidad del medio aumenta en for-ma significativa si se realiza la gelati-nización previa a la licuefacción. Paraque la suspensión sea manejable anivel industrial, sería conveniente reali-zar la gelatinización y licuefacción enforma simultánea ya que de esta mane-ra se reduce la viscosidad del medio.En este trabajo se encontró que nohubo diferencia significativa (p≤0.05)en la hidrólisis del almidón de boniatoalcanzada si la etapa de licuefacción

se realiza en forma posterior o en formasimultánea a la etapa de gelatiniza-ción. Esto demuestra que la gelatiniza-ción previa no sería necesaria para lograrun alto porcentaje en la licuefacción.

Comparando el proceso de licuefac-ción para las dosificaciones utilizadasen suspensiones de harina de boniatocon gelatinización previa a 90 °C, seobservaron resultados similares, lle-gándose a 58 y 61%, cuando se leagregó 2.7 y 5 .4 µL/gmater ia seca deα-amilasa respectivamente. Por lo tan-to se demuestra que una dosificaciónde 2.7 µL/gmateria seca de enzima seríasuficiente para lograr una buena licue-facción en las condiciones experimen-tales estudiadas. Teniendo en cuentala relación enzima/sustrato en la quese encontraron buenos resultados conlos ensayos con almidón (sección 3.3.1,3.8 µL serían suficientes para obtenerlos mismos resultados con el boniato.

El azúcar mayoritario luego de lalicuefacción fue la maltosa (60% de losazúcares; aproximadamente 60 g/L).

Estudio de la viscosidad de suspen-siones de harina de boniato con y sin elagregado de a amilasa en un reómetro

La etapa de calentamiento de unmedio conteniendo almidón genera unasuspensión con una viscosidad eleva-da difícil de manipular. Se realizaronensayos con un reómetro que permitie-ron cuantificar la viscosidad de la sus-pensión durante las etapas de gelatini-zación y licuefacción de la suspensiónde harina de boniato. Los perfiles deviscosidad y temperatura se muestranen la Figura 3. Se observó una tempe-ratura de gelatinización de 89 °C, quecorresponde a un pico de viscosidad de1175 cP. Inmediatamente después delagregado de α-amilasa la viscosidaddisminuyó de 750 a 400 cP en pocossegundos. Esto demuestra la gran ac-tividad enzimática de la α-amilasa. Laconcentración final de azúcares reduc-tores fue 70 g/L, que se correspondecon un porcentaje de hidrólisis de 57%,luego de 45 minutos de acción de laα-amilasa.

Los perfiles de viscosidad y tempe-ratura durante la gelatinización y licue-facción simultáneas no presentaron unaumento importante en la viscosidad.


Esto indicaría que el almidón no se gela-tiniza, probablemente por la destrucciónde este causada por la α-amilasa. Seobservó un aumento de la viscosidad enforma gradual alcanzado un valor de 400cP. Este valor coincide con el encontra-do luego del agregado de la enzima en elensayo donde se realizó la gelatiniza-ción previa. Por tanto, se puede observarque si bien los perfiles de viscosidad paralos dos ensayos realizados son muydiferentes, luego del agregado de la enzi-ma se alcanzan valores de viscosidadsimilares. La concentración de azúcaresreductores después de los 20 minutosfue de 59 g/L en el ensayo de gelatiniza-ción y licuefacción simultáneas, que secorresponde con un porcentaje de hidró-lisis de 50%.

La reducción de la viscosidad permi-te mejorar las condiciones de manejode la suspensión, en particular conrelación a su homogeneidad y trans-porte, permitiendo obtener resultadosmás consistentes y con un menor con-sumo de energía. De acuerdo a losresultados obtenidos en este trabajo,se puede concluir que la gelatinizaciónprevia del almidón de boniato no esnecesaria si se adiciona la enzimaα-amilasa desde el inicio del calenta-miento y mejora las condiciones demanejo del material.

Ensayos de sacarificación de boniato

Ensayos de sacari f icación congelatinización previa

Para la harina de boniato, se obtu-vieron concentraciones de azúcares re-ductores totales finales promedio de128, 145 y 150 g/L para muestras gela-tinizadas a 90, 100 y 121 °C respecti-vamente. En el caso del boniato fresco,se obtuvo una mayor concentración deazúcares reductores totales a 100 °C(180 g/L).

Se obtuvo un porcentaje de hidróli-sis después de la sacarificación cerca-no y muchas veces superior al 100%tanto para la harina como para el bonia-to fresco. Los ensayos, en algunoscasos, se repitieron hasta 10 vecespara confirmar los valores obtenidos.No se observó inhibición por glucosade la AMG, como reportan otros auto-res (Montesinos y Navarro, 2000).

Se encontró que la hidrólisis totalalcanzada fue similar para las distintastemperaturas de gelatinización. Un aná-lisis ANOVA (p≤0.05) demostró que nohubo diferencias significativas para losdiferentes tratamientos térmicos reali-zados.

Es de destacar la alta actividad delas enzimas en las condiciones estu-diadas, en particular la AMG, ya queluego de un minuto de reacción se llegaa porcentajes de hidrólisis de aproxi-madamente 85%, situación que benefi-ciaría la realización de sacarificación yfermentación simultáneas.

Ensayos de sacari f icación singelatinización previa

Se realizaron ensayos de sacarifi-cación en muestras que fueron trata-das con α-amilasa pero sin la etapa degelatinización previa. La Figura 4 mues-tra los perfiles de los azúcares indivi-duales obtenidos durante la hidrólisis.Se puede observar que a los 60 min deacción de la AMG, se llega a un valorconstante de azúcares reductores. Sealcanzó la hidrólisis total del almidón(considerando las dos etapas). Estosugiere que no es necesaria una gela-tinización previa para lograr una buenahidrólisis.

Figura 3. Perfiles de viscosidad y temperatura en suspensionesde harina de boniato (relación materia seca a agua 1:5)durante el proceso de gelatinización y licuefacción.(a) Agregado de α-amilasa después de la gelatinización;(b) agregado de α-amilasa antes del calentamiento(gelatinización y licuefacción simultánea).

b) Gelatinización y licuefacción simultánea

Agregado de enzima

Temperatura

a)


3.3.3. Ensayos de fermentación deboniato

Selección de la modalidad de fer-mentación

Se realizaron ensayos para evaluarqué modalidad de fermentación era másadecuada para la producción de etanola partir de boniato. Se realizaron ensa-yos donde la sacarificación se realizóantes (SHF) y durante (SSF) la fermen-tación, para una relación de materiaseca a agua de 1:5, utilizando boniatofresco como materia prima.

No se observó diferencia en los per-files de la fermentación para las condi-ciones experimentales estudiadas (Fi-gura 5). La acción de la AMG fue muyrápida, obteniéndose a los pocos mi-nutos de iniciada la fermentación prác-ticamente la misma concentración deazúcares totales en el medio para lasdos modalidades de fermentaciones.Después de 24 h de fermentación, seobtuvieron 11.2 g de glicerol por cada100 g de etanol para los ensayos SHFy 9.6 g de glicerol por cada 100 g deetanol para SSF. El glicerol se forma apartir de un intermediario de la glucóli-sis, en respuesta a la alta presiónosmótica debida a la alta concentra-ción de azúcares en la fermentación.Es por eso que en la sacarificación yfermentación simultáneas (SSF) don-de no se acumulan grandes cantidadesde azúcar, se producen menores can-tidades de glicerol. La concentracióntotal de levaduras permaneció prácti-camente constante durante las fermen-taciones.

Las enzimas comerciales (α-amila-sa y AMG) hidrolizaron el 100% delalmidón de boniato bajo condicionesexperimentales estudiadas. El Cuadro7 presenta la concentración, rendimien-to y eficiencia de etanol obtenidas. Lasconcentraciones de etanol luego de las24 h fueron similares para las condi-c iones exper imenta les estud iadas(68-71 g/L). Los rendimientos globalesobtenidos están en el orden 460 a480 L etanol/t de boniato en base seca.Las eficiencias globales fueron calcu-ladas como el etanol obtenido experi-mentalmente sobre el etanol que seobtendría considerando la conversión

Figura 4. Perfiles de azúcares y temperatura en la hidrólisis dela harina de boniato sin gelatinización previa con unadosificación de enzimas de 5.4 µL/gmateria seca. Losazúcares totales se expresan en equivalentes deglucosa.

Figura 5. Perfiles de glucosa y etanol expresados en g (etanol oglucosa) por kg de boniato en base seca durante lafermentación. (a) Fermentación con sacarificaciónprevia (SHF), (b) sacarificación y fermentaciónsimultáneas (SSF).

Sacarosa+MaltosaGlucosa

FructosaAzúcares totales

Azúcares totalesEtanol

Azúcares totalesEtanol


estequiométrica de los azúcares fer-mentables iniciales en la fermentación(glucosa de la hidrólisis del almidón yde los azúcares libres). Estos valorescorresponden a 83% y 87% para saca-rificación previa y simultánea a la fer-mentación respectivamente.

La Figura 6 muestra un perfil típicode azúcares, glicerol y etanol durantela fermentación con sacarificación pre-via de boniato.

En el ensayo de SSF, la temperatu-ra y pH es adecuado para el crecimien-to de las levaduras (30 °C), pero no sonóptimos para la actividad de la AMG.De esta manera se reduce el tiempo yenergía del proceso (ya que no se rea-liza la etapa de sacarificación a 60 °C),y se evita la posible inhibición de laAMG por altas concentraciones de glu-cosa. A partir de los resultados obteni-

dos, que son muy similares para am-bos procesos, se podría concluir que lasacarificación previa no es necesariapara lograr un buen rendimiento deetanol.

Estudio del secado del boniato sobrela producción de etanol

Se realizaron ensayos en matracesde 500 mL y en fermentador de 1.5 L,no observándose diferencia en los re-sultados obtenidos para las mismascondiciones experimentales: relaciónde materia seca a agua, temperatura,pH y concentración de levaduras inicia-les.

El boniato fresco contiene un altocontenido de agua. El secado es unaspecto a estudiar a efectos de optimi-zar su transporte, almacenamiento yprocesamiento. Se evaluó el efecto delsecado sobre la producción de etanol.Se utilizó boniato fresco y seco (hume-dad 7.7%).

Se evaluó el uso de distintas rela-ciones materia seca a agua para bonia-to fresco y en forma de harina, cuyosresultados se muestran en el Cuadro 8.Las Figuras 7a y 7b muestran los per-files de etanol para harina de boniato yboniato fresco respectivamente, paradistintas relaciones de materia seca aagua.

Cuanto menor fue el contenido deagua mayor fue la concentración finalde etanol y el tiempo necesario paraalcanzar la concentración máxima, perolos azúcares no se consumieron total-mente, y por lo tanto los rendimientosfueron menores. En el caso de la harinapara relaciones de materia seca a agua1:8, 1:5 y 1:3, se observó un consumototal de azúcares; en el caso de larelación 1:2 se encontró que quedaron

Cuadro 7. Concentración final de etanol y rendimientos y eficiencias totales, para la fermentación consacarificación previa a la fermentación (SHF) y la fermentación y sacarificación simultánea (SSF)

*Eficiencia global: calculada como el etanol obtenido sobre el etanol teórico que se debería producir.**La etapa de sacarificación se realizó solo durante la fermentación.

Figura 6. Perfiles de la fermentación con sacarificación previadel boniato.

Ensayo Rendimiento de Concentración Rendimiento global Eficiencia hidrólisis previo a de etanol final (L etanol/t boniato global* (%) la fermentación (g/L) base seca)

(%)SHF 100 68 ± 5 460 ± 30 83 ± 6SSF No corresponde** 71 ± 10 480 ± 70 87 ± 12

Sacarosa+MaltosaGlucosaFructosaAzúcares totales Etanol

Glicerol


Cuadro 8. Resultados de las fermentaciones de boniato fresco y harina de boniato en distintas relacionesde materia seca a agua

* Determinado en base a los perfiles de consumo de azúcares y de producción de etanol.** Calculados en base a la composición de almidón y azúcares del material utilizado.

Figura 7. Perfiles de la fermentación conharina de boniato (a) y boniatofresco (b), para dist intasrelaciones de materia seca aagua. La relación 1:2.2corresponde al boniato frescosin agregado de agua.

Relación: 1:2 Relación: 1:3 Relación: 1:5 Relación: 1:8

Relación: 1:2.2 Relación: 1:5 Relación: 1:8

Relación de Tiempo Azúcares Azúcares Etanol Glicerol Rendimiento Rendimientomateria seca fermentación iniciales** residuales (g/L) (g/L) (Letanol/t boniato agroindustrial a agua (h) (g/L) (g/L) seco) (Letanol/ha)(en peso)

1:2 4 8 316 7 2 9 8 9 300 2980

1:3 3 6 205 0 9 7 9 460 4490

1:5 1 6 129 1 5 8 7 420 4170

1:8 1 6 9 0 1 3 8 4 410 4020

1:2.2 4 8 319 107 100 9 320 3170

1:5 2 4 144 3 4 5 2 7 370 3670

1:8 1 6 103 0 4 5 8 490 4790


Condición Concentración Rendimiento global Eficiencia globalexperimental etanol (g/L) (Letanol/t grano de sorgo dulce en (%)*

base seca)

Matraces sin sales 61 420 95Reactor sin sales 60 420 95Matraces con sales 57 440 99

azúcares presentes en la medio. Estopodría atribuirse a una inhibición pro-ducida en la fermentación con Saccha-romyces cerevisiae por la elevada con-centración de etanol generada por estecambio de relación materia seca a agua.Para mejorar la performance de la fer-mentación se requiere seguir investi-gando, por ejemplo, agregar más nu-trientes como nitrógeno, magnesio,suministro adecuado de oxígeno, er-gosterol y ácido oleico, podría mejor elrendimiento de la fermentación, ya quejuegan un rol esencial en la estructuray funciones metabólicas del crecimien-to celular y tolerancia al etanol (Sri-chuwong et al., 2009; Breisha, 2010).También se podría seleccionar otraslevaduras capaces de tolerar mayoresconcentraciones de etanol (mayores a100 g/L).

En el caso de boniato fresco, elconsumo de azúcares fue total parauna relación de materia seca a agua de1:8. Para relaciones menores, queda-ron azúcares residuales en el medio yel rendimiento de etanol fue menor. Aligual que para el caso de harina, lamayor concentración de etanol alcan-zada fue de aproximadamente 100 g/L(caso del boniato fresco sin agregadode agua).

So obtuvieron rendimientos agroin-dustriales en el rango 2980 a 4490 Letanol/ha y 3170 a 4790 L etanol/hapara harina y boniato fresco respecti-vamente.

De los resultados obtenidos se pue-de observar que las concentracionesde etanol finales fueron similares paraboniato fresco y harina de boniato parala misma relación materia seca a agua.

3.3.4. Ensayos de hidrólisis yfermentación de granos de sorgodulce

Se estudió la hidrólisis del almidónde grano de panoja de sorgo dulce y seencontró una eficiencia de hidrólisis de100% con la misma dosificación y con-diciones utilizadas para el boniato. Seobtuvieron concentraciones de azúca-res reductores de 157 g/L.

Se estudió la fermentación de losgranos de panoja de sorgo dulce aescala de matraces, con y sin agrega-do de sales. Se realizó también en unreactor de laboratorio de 1.5 L obte-niendo los mismos resultados que conlos matraces. En el Cuadro 9 se pre-sentan los resultados obtenidos.

Se observaron resultados muy simi-lares de concentración de etanol entrelas muestras con y sin sales. Sin em-bargo, el tiempo de fermentación fuemayor para los matraces sin sales; losazúcares se consumieron totalmente alas 24 y 12 horas para los matraces cony sin sales respectivamente (Figura 8).

3.4. Caracterización primaria delos sólidos residuales delproceso de producción de

etanol a partir de boniato parasu eventual valorización

Se realizó el análisis para el residuode una fermentación de harina de bo-niato con una relación de materia secaa agua de 1:5. Por cada 100 g deboniato (base seca) utilizados para laproducción de etanol, se obtuvieronluego de la fermentación 20 g de sóli-dos suspendidos separados por filtra-

Cuadro 9. Resultados de la fermentación de granos de sorgo dulce

*Calculada como el rendimiento global experimental sobre el rendimiento teórico basado en la composicióndel material.


ción cuya composición es: 3.7% (p/p)proteína, 6.1% (p/p) grasas y 15% (p/p)fibras. También se obtuvieron 10 g desólidos solubles. Estos resultados co-rresponden a residuos de boniato noaprovechados por la levadura e inclu-yen la levadura utilizada durante lafermentación.

Según lo observado por Harris (2003),entre los materiales utilizados común-mente para ración de ganado se en-cuentran ejemplos tanto con conteni-dos menores de materia seca, proteí-nas y grasa, como con contenidosmayores al del presente estudio. En laTabla 10 se muestra la composición detres de estos materiales, junto con ladel residuo. En función de estos con-tenidos se realiza la posterior formulaciónde la ración para adecuarse a los requeri-mientos nutricionales del ganado.

3.5. Balance de materiales yenergía

3.5.1. Simulación del proceso deobtención de etanol a partir deboniato

En el Cuadro 11 se describe losprincipales equipos diseñados, paracada una de las etapas: pretratamientode la materia prima, gelatinización ylicuefacción, sacarificación y fermen-tación, procesamiento del bioetanol,tanto para el boniato fresco como parala harina. El material de los equipos fuede acero inoxidable o acero al carbono.

En las Figuras 9 a 13, se muestrana modo de ejemplo, los diagramas deflujos de un proceso modelo de produc-ción etanol anhidro a partir de boniatofresco (relación materia seca a agua1:5, eficiencia de fermentación 90%,

Figura 8. Perfiles de concentración de azúcares, glicerol yetanol para las fermentaciones de granos de sorgodulce con agregado de sales (a) y sin agregado desales (b).

Cuadro 10. Comparación de la composición de materiales utilizados como ración de ganado (Harris, 2003)con la obtenida en este proyecto

bs: base seca.

400 L/t boniato, azúcares totales 76%),elaborado con el programa. Las etapasde sacarificación, fermentación y se-paración de alcohol son comunes paralas dos materias primas trabajadas

MaltosaGlucosaFructosa

EtanolGlicerol

MaltosaGlucosaFructosa

EtanolGlicerol

Material Materia seca Proteína cruda Grasa Fibras (%) (% bs) (% bs) (% bs)

Raíces de zanahoria 12 10 1,7 ---Destilados de maíz 92 29,4 9,8 ---Este proyecto (residuo de fermentaciónde boniato relación materia seca a agua 1:5) 14 4,0 6,6 16,3


Etapa

Equipo

Descripción

Detalle

HP-101

Pesaje del boniato

Tiempo de residencia 15 min

Lavado del boniato 3

Caudal de agua 3.2 m /h Capacidad 3000 t/h

P1 /WSH-101

Secador rotatorio

Capacidad 1100 t/h Potencia 0.01 kW/(kg/h) Velocidad de evaporación 30 (kg/h)/m3

Requerimiento de aire 5 kg/kg evaporado

Pretratamiento de la materia prima

P25/RDR 101

Molienda Tiempo 45 min Capacidad 500 t/h Potencia 0.01 kW/(kg/h)

P26/GR101

Trituradora

Tiempo 30 min Capacidad 1000 t/h Potencia 400 HP

P17/SR-102

Gelatinización y

licuefacción

Tanque de licuefacción

Volumen 300 m3

Volumen útil 90% Tiempo del proceso 2,4 h

P7/V-103

Intercambiador de calor Coeficiente de transferencia 1500 W/m2K

Área de transferencia 100 m2

Temperatura salida del medio 76 ºC

P14/HX-101

Intercambiador de calor

Coeficiente de transferencia 1000 W/m2K 2 Área de transferencia 1300 m

Eficiencia 95% Temperatura de salida del medio 3 0ºC

Sacarificación y

fermentación simultánea

405E

Tanque sacarificación y fermentación

P10/FR-101

Volumen 300 m3

Volumen útil 83 %

Temperatura de operación 81 ºC Volumen = 65 m3

Volumen útil (15-90)% Volumen trabajo 50% Tiempo de residencia 0.1 h Eficiencia de transferencia de calor 90%

501V

Desgasificador

Condensador

Coeficiente de transferencia de calor 450 W/m2K Eficiencia de la transferencia 85% Temperatura de operación 38 ºC Remueve el 99% etanol (p/p)

507E

Columna

destilación

Eficiencia por plato 36 % Velocidad lineal por vapor 1.6 m/s Temperatura de operación del condensador 104 ºC Temperatura operación del reboiler 11 5 ºC

502TT

Recuperación del bioetanol

Columna

rectificadora

Eficiencia del plato 40% Velocidad lineal del vapor 0.069 m/s Número de platos 39 Temperatura condensador 90 ºC Temperatura reboiler 114 ºC

503TT

Eficiencia 80%

Número de etapas 14 Temperatura condensador 90 ºC Temperatura reboiler 114ºC

504TT

Stripping

Tamices moleculares

517 U

Capacidad 15 t/h Remueve agua restante 97%

Pileta de

tratamiento

P21/AB-101 Difusión del aire 1.7 STD m3/m3 min liq/

Potencia 120 kW

Cuadro 11. Descripción de los equipos principales de la planta de producción de bioetanol


Figura 9. Diagrama de flujo desde el ingreso del boniato fresco a la planta hasta la etapa de licuefacción.

Figura 10. Diagrama de flujo para la etapa de sacarificación y fermentación simultánea (proceso común alas tres materias primas utilizadas).

(Figuras 10 a 12). En los casos que seutiliza para fermentar harina de boniatose requiere de una operación de seca-do y de molienda fina, previa a la etapade licuefacción como se muestra en laFigura 13. Cuando el material a mani-

pular fue grano de sorgo dulce, tambiénaparece un cambio en los equipos uti-lizados en el proceso previo a la licue-facción, los cuales se pueden apreciaren la Figura 14.


Figura 11. Diagrama de flujo para la etapa de destilación y tratamiento de efluentes (proceso común a las tresmaterias primas utilizadas).

Figura 12. Diagrama de flujo para la etapa de destilación y obtención de etanol combustible (proceso comúna las tres materias primas utilizadas).


Figura 13. Diagrama de flujo del secado de boniato fresco, molienda y almacenamiento de la harina.

Figura 14. Diagrama de flujo desde el ingreso de la grano de sorgo dulce a la planta hasta la etapa delicuefacción.

3.5.2. Descripción de las etapas delproceso de simulación paraobtención de etanol a partir deharina de boniato, boniato fresco ygrano de sorgo dulce

PretratamientoEl boniato se coloca en un depósito

hasta ser ingresado en la línea de pro-cesado. Primeramente se pesa en una«tolva balanza» y se realiza una limpie-za para retirar objetos extraños (basu-ra) y la mayor parte de las impurezas(tierra). El lavado consiste en trasladarlos boniatos por una cinta transporta-dora rociando agua a través de asper-sores. El agua utilizada en el lavado esagua recuperada de la corriente prove-niente del tanque de condensados. El

boniato limpio se tritura para reducir eltamaño del sólido. Luego puede tenerdos destinos, uno es que se descargueen el tanque de licuefacción para con-tinuar en el proceso de producción debioetanol como boniato fresco, o elotro es pasar a un secador rotatorio ycontinuar en el proceso como harinade boniato. En el secador se lleva alboniato triturado a la humedad finaldeseada, que puede variar entre el 8 y20%. El boniato secado continúa en lalínea de procesamiento, yendo a unaetapa de molienda más fina y finalmen-te como harina puede ser almacenado,pronto para ingresar a la etapa de li-cuefacción.

El grano de sorgo dulce tiene unacombinación de ambos procesos. En


primera instancia se pesa en la «tolvabalanza» y recibe una limpieza. Des-pués se obtiene una especie de polvoal pasarlo por un molino de martillo yde allí es transportado por una cinta ala etapa de licuefacción.

Gelatinización y licuefacciónEn los tanques de licuefacción con

agitación se mezclan la materia prima(boniato fresco, harina o grano de sor-go dulce) con α-amilasa, agua recupe-rada y de reposición. La cantidad deagua total agregada al tanque dependede la relación masa sólido seco: aguaestudiada y del flujo de materia primaingresada al reactor. Al preparado seajusta el pH a 5.8 agregando cal oácido sulfúrico según corresponda. Lasuspensión es calentada a 86 ºC y unavez alcanzada la temperatura se incor-pora la enzima. El medio permanece a86 ºC durante 1 h. La enzima α--amila-sa se adiciona en una proporción de3.6 mL/kgmateria seca. En la etapa de gela-tinización aumenta la viscosidad delmedio. Pero en la licuefacción se dauna etapa de hidrólisis enzimática delalmidón a oligosacáridos que ayuda adisminuirla.

Sacarificación y fermentaciónLa sacarificación y fermentación se

realizan en forma simultánea en variosfermentadores de 300 m3 con un volu-men útil de 85%. El medio antes deingresar al reactor es enfriado a 30 ºCpor dos intercambiadores de tornillo enserie. Durante el proceso de sacarifi-cación los oligosacáridos son converti-dos a glucosa por hidrólisis enzimáticacon amiloglucosidasa (AMG) y en lafermentación los azúcares pasan adióxido de carbono y etanol.

Se agrega ácido sulfúrico para redu-cir el pH del medio a 4.5. En el caso deque la materia prima fuese grano desorgo se le adiciona sales al medio(MgSO4.7H2O, (NH3)2SO4). La dosis deAMG es de 3.6 mL/kgmateria seca. La rela-ción materia seca a agua en el reactorde fermentación varía según la situa-ción estudiada. El medio de cultivo seinocula con un 10% del volumen delfermentador, con una solución de leva-dura Sacharomyces cerevisiae prove-

niente del desarrollo de inóculo con unaconcentración de 0.0233 kglevadura/L.

El desarrollo de inóculo se realizaen un prefermentador con un medioconteniendo la mitad de los azúcaresiniciales de la etapa de fermentación yse añaden sales de magnesio y amo-nio.

Una vez agregados todos los com-ponentes del medio y ser inoculado elreactor, la fermentación tiene una du-ración entre 14 y 48 h dependiendo delsustrato y la situación simulada.

Posteriormente el caldo fermentadose envía a través de un desgasificadorpara separar los componentes voláti-les. La corriente de salida de gases enel fermentador es principalmente dióxi-do de carbono y agua. Estos se llevana un condensador para separar el aguay el etanol y recombinarlos con la co-rriente líquida que llega al destilador.El dióxido de carbono se envía a un unatorre de lavado de gases.

Procesamiento del etanolLa destilación se realiza en dos

grandes etapas, utilizándose una co-lumna de destilación para la primeraetapa y una columna rectificadora parala segunda. En la columna de destila-ción se recupera etanol del fermentadoy agua, la cual debe ser retirada en laetapa de rectificación. Por el fondo dela columna de destilación se retira lamayor parte del agua y materiales nofermentables. En la parte superior saleuna mezcla de etanol-agua. Utilizandouna columna rectificadora, stripper ytamices moleculares se consigue unproducto de etanol calidad combusti-ble. La mayor parte del agua, luego dela columna de destilación, es retiradaen la columna rectificadora. Los tami-ces moleculares, capturan la últimacantidad de agua para alcanzar unaconcentración de etanol mayor a l99.2 % (v/v).

Producto finalEl producto f ina l obten ido son

282 m3 de etanol combustible por día.El producto simulado de etanol se co-rresponde a 90000 m3/año, obtenién-dose para el grano de sorgo entre 230


a 410 L/tgrano seco y tanto para el boniatofresco como para la harina entre 340 a480 L/tboniato seco, dependiendo de las con-diciones del proceso. El etanol anhidropermanece en un tanque hasta su trans-porte para la venta como combustibleañadido.

3.5.3. Estudio para boniato frescoPara que un balance de energía sea

viable la energía necesaria para produciruna unidad de biocombustible debe sermenor que la energía que sale del siste-ma. Si esto no se da, hay que ver qué tipode energía se utiliza para satisfacer lasnecesidades energéticas, a efecto deasegurar una real sustitución de la fuentefósil por energía renovable. La energíaque se obtendría en la combustión deletanol producido sería 21.1 GJ/m3

etanol.En la Figura 15a se puede observar

cómo varía el consumo energético globalcon el contenido de azúcares de boniatofresco, considerando una eficiencia defermentación del 90% y un contenido demateria seca de 0.20 kgmateria seca/kgagua total.En este proyecto se observó que el con-tenido de azúcares en el boniato frescopodía variar incluso entre boniatos de unmismo lote (en el rango 69% a 82%). Seobservó un incremento del 13% del con-sumo total de energía cuando el conteni-do de azúcares totales disminuyó de un82% a un 69%. El consumo de energíapresentó una dependencia prácticamen-te lineal decreciente en el rango 71 – 81%de contenido de azúcares totales.

En la Figura 15b se puede observarcómo varía el consumo energético con laeficiencia de fermentación, consideran-do que el contenido de azúcares totalesera de 76% y un contenido de materiaseca de 0.20 kgmateria seca/kgagua total. La de-pendencia del consumo de energía con laeficiencia de fermentación fue similar a laobservada en la Figura 15a, disminuyen-do el consumo energético a medida queaumenta la eficiencia de fermentación.Sin embargo, en el caso del consumo deenergía para diferentes contenidos demateria seca, para una eficiencia de fer-mentación del 90% y un contenido deazúcares totales del boniato del 76%, seobservó que a partir de la relación0.20 kgmateria seca/kgagua total (que se corres-ponde con una relación de materia seca

a agua 1:5) los valores de energía consu-mida tiende a estabilizarse (Figura 15c).

Se obtuvieron consumos energéticosinferiores a 21.1 GJ/m3

etanol para las rela-ciones 1:6, 1:5, 1:4 y 1:2.2 que hacenque el sistema energético sea viable paratodas las condiciones estudiadas de efi-ciencia y contenido de azúcares de bo-niato. Para la relación 1:8, el balanceenergético es más favorable cuando elcontenido de azúcares del boniato esmayor al 72% y la eficiencia de fermenta-ción supera el 90%. También se consi-gue un proceso favorable cuando la efi-ciencia es de 85% y los azúcares supe-ran el 76% o si la eficiencia es 80% solopara un contenido de azúcar del 82%.

3.5.4. Estudio para harina de boniatoy comparación con boniato fresco

El secado de boniato podría ser útilpara: (i) reducción de costo de transpor-te, ya que se podría transportar mayorcantidad de material útil (almidón y azú-cares fermentables) en cada viaje detraslado a la planta, (ii) conseguir altasconcentraciones de etanol, al poder pre-parar mezclas de material seco a aguamayores que con boniato fresco,(iii) mejorar la flexibilidad de la planta yaque se puede conservar el material porlargo tiempo y ocupa menos espacio queel fresco, (iv) mejorar potencialmente eldesempeño de la hidrólisis a altas con-centraciones materia seca a agua debidoa una mayor accesibilidad de las enzi-mas al almidón. En este proyecto secomprobó experimentalmente que el pro-ceso de producción de etanol con bonia-to fresco alcanza rendimientos compara-bles a los que se obtienen usando harinade boniato.

Se determinaron los porcentajes deconsumo energético de cada una delas etapas del proceso de obtención deetanol combustible para una relaciónintermedia de materia seca a agua de1:5. Para boniato fresco, las etapasque presentaron mayor consumo fue-ron la conversión de azúcares y fer-mentación, y el procesamiento del bio-etanol (destilación y deshidratación),que tuvieron un gasto del 16.1 y 83.7%,respectivamente (Cuadro 12). La etapade secado para la harina, representóun 68.1% del consumo total de energía


Figura 15. Variación del consumo energético para boniato fresco conrespecto a: a) contenido de azúcares del boniato (eficienciafermentación 90% y 0.20 kgsólido seco/kgagua total); b) eficienciasde la fermentación (azúcares totales 76% y 0.20 kgsólido seco/kgagua total); c) contenido de materia seca en el medio (eficienciafermentación 90% y contenido de azúcares totales 76%).


Boniato fresco Harina de boniato Etapas del Consumo Porcentaje en el Consumo Porcentaje en el proceso energético proceso global energético proceso global

(GJ/m3etanol) (%) (GJ/m3

etanol) (%)

Manipulación ymolienda 0,02 0,2 0,11 0,3Secado —— —— 24,45 68,1Conversión azúcares,desarrollo de inóculoy fermentación 2,06 16,1 0,01 < 0,1Procesamiento debioetanol 10,68 83,7 11,34 31,6Total 12,76 100 35,91 100

del proceso y le siguió la etapa dedestilación y deshidratación del etanolcon un 31.6%, las restantes resultaronno significativas. El consumo energéticopara el proceso que utilizó harina para lafermentación alcohólica (~ 36 GJ) superóel gasto insumido cuando se utilizó boniatofresco como materia prima (~ 13 GJ).

Los consumos energéticos obteni-dos en la simulación en este trabajofueron similares a los estimados parala práctica industrial (comunicaciónpersonal con el Ing. Jorge Martínez,Departamento de Operaciones Unita-rias en Ingeniería Química e Ingenieríade Alimentos, Instituto de IngenieríaQuímica de la Facultad de Ingeniería,Universidad de la República). El seca-do es una operación energéticamenteintensiva siendo su eficiencia energéti-ca baja. A los efectos de la estimación

usando valores de la práctica indus-trial, se tomó una eficiencia de 70%.Los valores estimados en la prácticaindus t r ia l fueron : 24 .15 GJ/m 3 y13.74 GJ/m3 para las etapas de secadoy procesamiento de etanol (destilacióny deshidratación) respectivamente.

La etapa de secado y molienda paraobtener la harina de boniato representaun gasto energético alto: en el rango60.2-80.9% en el proceso global (Cua-dro 13). Considerando que el podercalorífico inferior del etanol obtenidosería de 21.1 GJ/m3

etanol (valor inferior atodas las situaciones estudiadas en elCuadro 13 que solo considera la etapade secado), se puede observar que elconsumo energético del secado delboniato fue superior a la energía que seobtendría a partir del etanol producido.Por lo tanto, el proceso que integre una

Cuadro 12. Influencia del proceso de secado y molienda en el consumo energético del proceso global deproducción de bioetanol para boniato con 76% de azúcares totales, eficiencia de fermentacióndel 90%, relación materia seca a agua de 1:5

Cuadro 13. Influencia del proceso de secado y molienda en el consumo energético del proceso global deproducción de bioetanol

Energía consumida Energía consumida Contenido de Eficiencia de Contenido de Humedad en el secado y en secado y molienda azúcares fermentación material seco final de la molienda (% del (GJ/m3

etanol) totales (%) (%) (kgmateria seca/ harina (%) total consumida)

kgagua total)

69 – 82 90 0,20 8 68,4 – 70,0 23,01 – 27,63

76 70 – 92 0,20 8 69,0 – 69,4 24,36 30,76

76 90 0,13 – 0,50 8 60,2 – 80,9 24,58 24,78

76 90 0,20 8 – 20 67,8 – 68,7 23,07 – 24,56

Parámetro estudiado


etapa de secado sería energéticamen-te deficitario. En caso de ser necesariauna etapa de secado, para cumplir conlos objetivos de reducir el uso de com-bustibles fósiles y las emisiones netasde gases de efecto invernadero, esnecesario usar fuentes renovables deenergía como por ejemplo leña o ener-gía solar en el proceso industrial. De locontrario el contenido energético deletanol combustible producido seríamenor que el gasto energético de com-bustible fósil usado en su producción.

Se realizó un análisis similar sobreel consumo energético que el realizadopara boniato fresco. Los resultados semuestran en la Figura 16. En cuanto alcontenido de azúcares totales del bo-niato fresco a secar, una disminuciónde 82 a 69% de azúcares totales incre-menta en un 20% el consumo de laenergía de secado.

Los perfiles de eficiencia y de relaciónmateria seca a agua total son similarespara el boniato fresco y para la harina. Laeficiencia de fermentación no afectó elporcentaje de consumo en la etapa depretratamiento como se aprecia en elCuadro 14. Sin embargo, la energía con-sumida por m3 de etanol producido alpasar de una eficiencia de fermentacióndel 92 a 70% aumentó en un 26.3%. Porel contrario, la relación materia seca aagua en el medio de fermentación influyósobre el porcentaje de consumo de ener-gía global del proceso.

Al variar la humedad final alcanzadapor la harina de un 20% a un 8% losvalores de energía consumida por me-tro cúbico de etanol producido aumen-taron en un 6.5%.

3.5.5. Estudio para granos de sorgodulce

Figura 16. Variación del consumo energético para harina de boniato con respecto a: a) contenido deazúcares de la harina de boniato a fermentar (eficiencia fermentación 90%, 0.20 kgmateria

seca/kgagua total, humedad final 8%); b) eficiencias de la fermentación (azúcares totales 76%,0.20 kgmateria seca/kgagua total, humedad 8%); c) al contenido de materia seca en el medio(eficiencia fermentación 90% y contenido de azúcares totales 76%); d) humedad finalalcanzada en el proceso de secado (eficiencia fermentación 90% y 0.20 kgmateria seca/kgagua total,azúcares totales 76%).


Parámetro ValorConcentración final de etanol (g/L)* 38 – 100Rendimiento global de etanol (L/t base seca) 300 - 490Rendimiento agroindustrial ** (L/ha) 2980 - 4790

La Figura 17 presenta la variacióndel consumo de energía para el granode sorgo dulce de acuerdo a cambiosproducidos en el contenido de azúca-res totales, la eficiencia de fermenta-ción y la relación sólido seco a aguatotal. Los perfiles son similares a losobservados para la harina de boniato.

Sin embargo, en el caso del contenidode azúcares se comporta diferente alos otros dos materiales, adquiriendouna concavidad positiva y tendiendo aestabilizarse en un valor del orden de15 GJ/m3

etanol para un contenido de azú-cares en el rango 60 a 80%.

Cuadro 14. Resumen de los resultados obtenidos para boniato

* Valor que depende de la relación materia seca a agua.** Calculada en base a un rendimiento agrícola de 10 t/ha de biomasaseca.

Figura 17. Variación del consumo energético para harina de granos de sorgo dulce con respecto a: a)contenido de azúcares de los granos de sorgo dulce a fermentar (eficiencia fermentación 90% y0.2 kgmateria seca/kgagua total); b) eficiencias de la fermentación (azúcares totales 76% y 0.2 kgmateria seca/kgagua total); c) al contenido de materia seca en el medio (eficiencia fermentación 90% y contenidode azúcares totales 69%).


Al aumentar el contenido de sólidosde 0.13 a 0.50 kgboniato seco/kgagua total, elconsumo de energía disminuyó en un72%. En cuanto a la eficiencia de fer-mentación, se observó que cuando laeficiencia disminuye de 92% a 70%, elconsumo de energía del proceso au-menta en un 30%.

4. CONCLUSIONESPRINCIPALES

4.1. Caracterización físico-química de boniato y granos de

sorgo dulce

El boniato tiene una materia secacon un alto contenido de azúcares li-bres directamente fermentables, saca-rosa, glucosa y fructosa, en adición alalmidón.

Se observó una variación importanteen el contenido de almidón (50 a 60%)y azúcares simples (13 a 19%), y en elcontenido de proteínas, entre los dife-rentes muestras de boniato experimen-tales recibidos. Sin embargo el conte-nido total de azúcares fue similar(aproximadamente 76% expresadoscomo equivalentes de glucosa, baseseca). El nivel de variación observadopara el almidón fue de 4% para laharina de boniato y 12% para el boniatofresco.

Los granos de sorgo dulce tambiénmostraron alta variación en su compo-sición entre lotes. Contenían básica-mente almidón (60-78%) y escaso con-tenido de azúcares libres.

4.2. Condiciones básicasoperativas para el secado de

boniato

El secado del boniato en un secadortipo túnel, tanto a 55 °C como a 95 °C,no produjo una pérdida significativa nien almidón ni en azúcares libres.

Las condiciones de secado estudia-das no afectaron la hidrólisis del mate-rial alcanzándose el 100% de hidrólisisen las condiciones estudiadas.

4.3. Proceso optimizado dehidrólisis del material amiláceo y

selección de un proceso defermentación adecuado para laobtención de bioetanol a partir

de boniato y sorgo

Las enzimas comerciales utilizadas(α-amilasa: Liquozyme®SC, Novozy-mes; y amiloglucosidasa: Spirizyme®Fuel, Novozymes) hidrolizaron el 100%del almidón de boniato y granos desorgo dulce bajo las condiciones expe-rimentales estudiadas (relación mate-ria seca a agua 1:5).

Se encontró que la etapa de gelati-nización previa a la licuefacción para elboniato no es necesaria si se adicionaα-amilasa desde el inicio del calenta-miento. Esto reduce la viscosidad de lasuspensión de boniato, permitiendomejorar las condiciones de manejo dela misma, con un menor consumo deenergía.

No se observó inhibición de las en-zimas en las condiciones estudiadas,en particular la amiloglucosidasa (AMG)que podría presentar inhibición por al-tas concentraciones de glucosa (pro-ducto de la hidrólisis del almidón) talcomo lo reportan algunos investigado-res.

En cuanto al modo de fermentación,se observó la conveniencia de realizarla sacarificación y fermentación en for-ma simultánea (agregado de AMG alinicio de la fermentación). De estamanera se reduce el tiempo y energíadel proceso ya que no se realiza laetapa de sacarificación a 60 °C, sinafectar el rendimiento de etanol.

Los resultados de las fermentacio-nes mostraron resultados similares parala harina como para el boniato fresco.En el Cuadro 14 se resumen el rangode concentraciones finales de etanolalcanzadas y los rendimientos de eta-nol y agroindustrial para boniato. Lamáxima concentración de etanol encon-trada fue 100 g/L para boniato tanto enforma de harina como fresca, utilizandolevadura de panificación Fleishmann(Saccharomyces cerevisiae).


Para la harina de boniato, con unarelación de materia seca a agua de 1:5se obtuvo una mayor productividad deetanol. Sin embargo, para una relación1:3 se produce una mayor concentra-c ión de e tano l (aprox imadamente100 g/L) y no se detectaron azúcaresresiduales en el medio.

Para los granos de sorgo dulce, seobservaron resultados muy similares alos obtenidos con boniato.

4.4. Valorización del residuo

Por cada kg de boniato seco utiliza-do para la producción de etanol conuna relación de materia seca a agua de1:5, se obtuvo un residuo conteniendo:0.2 kg de sólidos suspendidos cuyacomposición fue: 3.7% (p/p) proteína,6.1% (p/p) grasas y 15% (p/p) fibras; y0.1 kg de sólidos solubles. Estos re-sultados corresponden a residuos deboniato no aprovechados por la levadu-ra e incluyen la levadura utilizada du-rante la fermentación.

Los residuos de fermentación delboniato mostraron bajo nivel de proteí-nas en comparación con otros materia-les provenientes de la industria deletanol, tales como granos secos dedestilería de maíz o de otros tipos deboniato. Debería evaluarse su uso enconjunto con otros materiales que au-menten su valor alimentario.

4.5. Balance de materia yenergía

Se dispone de un modelo de simula-ción de un proceso industrial desarro-llado en el software SuperPro Desig-ner® que puede ser utilizado para eva-luar otras materias primas amiláceas.Se diseñó un proceso semi-continuoque permite obtener 90.000 m3 de eta-nol anuales a partir de boniato fresco yen forma de harina, y para granos desorgo dulce, con un proceso que inclu-ye sacarificación y fermentación si-multáneas. El uso de materia primaseca presentó un consumo de energíadel proceso global que superó el conte-nido energético del bioetanol produci-do.

Los factores que afectan más signi-ficativamente el consumo energéticofueron, en primer lugar la concentra-ción de materia seca en el medio y ensegundo lugar la eficiencia de fermen-tación para las condiciones analiza-das. Los valores obtenidos permitenconcluir la importancia de trabajar aaltas concentraciones de materia secaen el medio y con una eficiencia defermentación alta. Por lo tanto, es im-portante desarrollar un proceso de trans-formación a etanol con alta eficiencia yque reduzca los problemas de manipu-lación derivados de la alta viscosidaddel material.

Tanto el boniato fresco como el gra-no de sorgo dulce resultaron dos mate-rias primas aptas desde el punto devista industrial para la obtención deetanol 99.2%, dado los rendimientos,las productividades volumétricas yconsumo energético observados. Serequiere un estudio económico y unbalance energético de la cadena agroin-dustrial, fuera del alcance de este pro-yecto, para la obtención de conclusio-nes más profundas. Para la harina deboniato el gasto de energía sólo en elproceso de secado, superó la energíaque se obtendría en la combustión deletanol producido.

La mejor relación de materia seca aagua total para trabajar con boniatofresco fue 1:5, ya que para relacionesmayores no se apreció una reducciónmuy importante en el consumo energé-tico del proceso.

Para una relación materia seca aagua de 1:5 y asumiendo un 90% deeficiencia de fermentación, al aumen-tar el contenido de azúcares del bonia-to un 10% (de 70 a 80% por ejemplo),el consumo energético del proceso dis-minuyó en la misma proporción (10%).Por lo tanto, el incremento en el conte-nido total de azúcares del boniato,mediante un programa de mejoramien-to agrícola, contribuiría a una disminu-ción en el consumo energético del pro-ceso.

Para el grano de sorgo se necesitauna cantidad de azúcares totales míni-ma de 45% (p/p) y trabajar con eficien-cias de fermentación superiores al 70%.


5. AGRADECIMIENTOSLos autores agradecen especialmen-

te el gran apoyo brindado por el Ing.Agr. (Ph.D.) Francisco Vilaró durantela ejecución de este trabajo, al Ing.Quím. (MSc) Jorge Martínez por sucolaboración en temas de secado deboniato y a la Ing. Quím. GuadalupeMartínez por su ayuda en la ejecucióndel programa SuperPro Designer®.Asimismo, agradecen al Fondo de Pro-moción de Tecnología Agropecuaria porel financiamiento otorgado a través delProyecto FPTA 266 para la ejecucióndel proyecto.

6. BIBLIOGRAFÍAALMODARES, A.; HADI, M.R. (2009)

Production of bioethanol from sweetsorghum: a review. African Journal ofAgricultural Research 4(9), 772-780.

Bennett, A.S.; Anex, R.P. (2009) Production,transportation and milling costs ofsweet sorghum as a feedstock forcentralized bioethanol production in theupper Midwest. BioresourceTechnology 100,1595–1607.

BREISHA, G.Z. (2010) Production of 16%ethanol from 35% sucrose. Biomassand Bioenergy 34, 1243-1249.

DE VRIES, S.C.; VAN DE VEN, G.W.J.; VANITTERSUM, M.K.; GILLER, K.E. (2010)Resource use eff ic iency andenvironmental performance of ninemajor biofuel crops, processed by first-generation conversion techniques.Biomass and Bioenergy 34, 588-601

DELGADO, R.; CASTRO, A.J.;VÁZQUEZ, M.(2009) A kinetic assessment of theenzymatic hydrolysis of potato(Solanum tuberosum). LWT – FoodScience and Technology 42, 797-804.

FAJARDO, L. (2010) Producción debioetanol a partir de boniato. Tesina degrado de la Licenciatura en Bioquímica.Facultad de Ciencias, UdelaR.

GNANSOUNOU, E.; DAURIAT, A.; WYMAN,C.E. (2005) Refining sweet sorghum toethanol and sugar: economic trade-offs in the context of North China.Bioresource Technology 96, 985-1002.

GUIGOU, M.; LAREO, C.; PÉREZ, L.V.;LLUBERAS, M.E.; VÁZQUEZ, D.;

FERRARI, M.D. (2011) Bioethanolproduct ion from sweet sorghum:Evaluation of post-harvest treatmentson sugar extraction and fermentation.Biomass and Bioenergy 35(7): 3058-3062

HARRIS, B. (2003) Nutrient requirements ofdairy cattle. University of Florida.Disponible onl ine http: / /e d i s . i f a s . u f l . e d u / p d f f i l e s / d s /ds08700.pdf

KIM, S.; DALE, B.E. (2004) Global potentialbioethanol production from wastedcrops and crop residues. Biomass andBioenergy 26, 361 – 375.

KIM, K.; HAMDY, M.K. (1985) Acid hydrolysisof sweet potato for ethanol production.Biotechnology and Bioengineering 27,316-320.

KWIATKOWSKI, J.R.; MCALOON, A.J.;TAYLOR, F.; JOHNSTON, D.B. (2006).Modeling the process and costs of fuelethanol production by the corn dry-grindprocess. Industrial Crops and Products23, 288–296.

LIU, R.; LI, J.; SHEN, F. (2008). Refiningbioethanol from stalk juice of sweetsorghum by immobi l ized yeastfermentation. Renewable Energy 33,1130-1135.

MAMMA, D. ; KOULLAS, D. ;FOUNTOUKIDIS, G.; KEKOS, D.;MACRIS, B.J.; KOUKIOS, E. (1996).Bioethanol from Sweet Sorghum:Simultaneous Saccharification andFermentation of Carbohydrates by aMixed Microbial Culture. ProcessBiochemistry 31(4), 377-381.

MILLER, G.L. (1959) Use of dinitrosalicylicacid reagent for determination ofreducing sugar. Analytical Chemistry31, 426-428.

MONTESINOS, T.; NAVARRO, J.M. (2000)Production of alcohol from raw wheatf lour by Amyloglucosidase andSaccharomyces cerevisiae. Enzymeand Microbial Technology 27, 362-370.

MOORTHY, S.N. (2002). Physicochemicaland functional properties of tropicaltuber starches: A review. Starch 54,559-592.

REDDY, O.V.S.; BASAPPA, S.C. (1997)Preparation of sweet potato flour andits fermentation to ethanol. JournalFood Science Technology 34 (2),108-112.


SIRI-PRIETO, G.; TERZAGUI, L.; RIBERO , H.;GANDOLFO, D.; MOSQUEIRA, J. (2008)Potencialidad del sorgo dulce comobio-combustible en el Uruguay. Cangüé30, 19-24

SLUITER, A.; SLUITER, J. (2005) NRELBiomass Program: Determination ofStarch in Solid Biomass Samples byHPLC. Biomass Analysis TechnologyTeam, Laboratory Analytical ProcedureLAP-016. Department of Energy, UnitedStates of America.

SRICHUWONG, S.; FUJIWARA, M.; WANG,X.; SEYAMA, T.; SHIROMA, R.;ARAKANE, M.; MUKOJIMA, N.;TOKUYASU, K. (2009) Simultaneoussaccharif ication and fermentation(SSF) of very high gravity (VHG) potatomash for the production of ethanol.Biomass and Bioenergy 33, 890-898.

VILARÓ F., VICENTE E., PEREIRA G.,RODRÍGUEZ G. Investigación paraproducción de etanol a base de boniato.Disponible onl ine. ht tp: / /www.i ica.org.uy/data/documentos/262468.doc

WU X., ZHAO R., BEAN S.R., SEIB P.A.,MCLAREN J.S., MADL R.L., TUINSTRAM., LENZ M.C., WANG D. (2007). Factorsimpacting ethanol production fromgrain sorghum in the dry-grind process.Cereal Chemistry 84(2), 130-136.

WU X., ZHAO R., WANG D., BEAN S.R., SEIBP.A., TUINSTRA M., CAMPBELL M.,O’BRIEN A. (2006) Effects of amylose,corn protein, and corn fiber contents on

production of ethanol from starch-richmedia. Cereal Chemistry 83(5), 569-575.

YU, B.; ZHANG, F.; ZHENG, Y.; WANG, P.(1996) Alcohol fermentation from themash of dried sweet potato with itsdregs using immobi l ized yeast.Process Biochemistry 31(1), 1-6.

ZHANG, Z.; WHEATLE,Y.; CH,C.; CORKE, H.(2002). Biochemical changes duringstorage of sweet potato roots differingin dry matter content. PostharvestBiology and Technology 24, 317-325.

ZHANG, L.; ZHAO, H.; GAN, M.; JIN, Y.; GAO,X.; CHEN, Q.; GUAN, J.; WANG ,Z. (2011)Appl icat ion of s imultaneoussaccharif ication and fermentation(SSF) from viscosity reducing of rawsweet potato for bioethanol productionat laboratory, pilot and industrial scales.Bioresource Technology 102 ,4573-4579.

ZHANG, Z.; CHEN, Q.; JIN, Y.; XUE, H.; GUAN,J.; WANG, Z.; ZHAO, H. (2010) Energy-saving direct ethanol production fromviscosity reduction mash of sweetpotatoe at very high gravity (VHG). FuelProcessing Technology 91, 1845-1850.

ZISKA, L.H.; RUNION, G.B.; TOMECEK, M.;PRIOR, S.A.;TORBET, H.A.; SICHER, R.(2009) An evaluation of cassava, sweetpotato and field corn as potentialcarbohydrate sources for bioethanolproduction in Alabama and Maryland.Biomass and Bioenergy 33 ,1503-1508.


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