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Quito - 2019

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

Obtención de bioetanol de segunda generación a partir de residuos de granos de café

molido usado del Distrito Metropolitano de Quito.

Trabajo de Titulación, modalidad Trabajo de Investigación para la obtención del título

de Ingeniero Químico.

AUTOR: Rovere Herrera Oscar Renato

TUTOR: DRA. Elvia Victoria Cabrera Maldonado

ii

DERECHOS DE AUTOR

Yo, Rovere Herrera Oscar Renato en calidad de autor y titular de los derechos morales y

patrimoniales del trabajo de titulación Obtención de bioetanol de segunda generación a

partir de residuos de granos de café usado del Distrito Metropolitano de Quito, modalidad

Investigación, de conformidad con el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA

ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E

INNOVACIÓN, concedemos a favor de la Universidad Central del Ecuador una licencia

gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra, con fines

estrictamente académicos. Conservamos a nuestro favor todos los derechos de autor sobre

la obra, establecidos en la normativa citada.

Asimismo, autorizamos a la Universidad Central del Ecuador para que realice la

digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de

conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.

El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de

expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad por

cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la Universidad

de toda responsabilidad.

En la ciudad de Quito, a los 10 días del mes de Noviembre del 2019.

Firma: ___________________

Rovere Herrera Oscar Renato

C.I. 0803790963

Correo: [email protected]

iii

APROBACIÓN DEL TUTOR

Yo, Elvia Victoria Cabrera en calidad de Tutor del Trabajo de Titulación, modalidad Trabajo

de investigación, OBTENCIÓN DE BIOETANOL DE SEGUNDA GENERACIÓN A

PARTIR DE RESIDUOS DE GRANOS DE CAFÉ MOLIDO USADO DEL DISTRITO

METROPOLITANO DE QUITO elaborado por el estudiante OSCAR RENATO

ROVERE HERRERA, para optar por el Grado de Ingeniero Químico de la Universidad

Central del Ecuador, considero que dicho trabajo reúne los requisitos y méritos suficientes

para ser sometido a la presentación pública y evaluación por parte del tribunal examinador

que se designe.

En la ciudad de Quito, a los 10 días del mes de Noviembre de 2019.

______________________

Dra. Elvia Victoria Cabrera Maldonado

DOCENTE-TUTOR

Correo: [email protected]

iv

DEDICATORIA

La satisfacción de

culminar el camino

hacia lo anhelado es

invaluable y la fuerza

para cumplir con los

demás objetivos de

vida.

Dedicado a Mireya,

mi madre, mi mentora

y mi orgullo, por ser

la fortaleza en cada

paso de mi vida, y a

Blanca, mi abuela, mi

ángel, quien me cuida

desde el cielo.

v

AGRADECIMIENTOS

Mi agradecimiento,

A Dios y a mis padres Mireya y Diego por ser mi base, mi fuerza y por darme su confianza

absoluta en cada etapa de mi vida.

A la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador y a sus

profesores por brindarme una excelente formación académica, además de su apoyo en

mi crecimiento personal.

A mi tutora, Elvia Victoria Cabrera, por su guía, entrega y colaboración incondicional

en mi trabajo de titulación y por sus consejos y apoyo durante los momentos

compartidos.

A mis hermanas Valeria y Mireya, y cuñados Paúl y Gabriel, por su orientación, a mi

familia y amigos por acompañarme en el proceso y ser parte de este logro.

A mi amigo Gonzalo Barrionuevo, por sus consejos y apoyo durante todo el proceso de

la carrera.

A Mishell Luna y su familia, quien me ayudó en momentos difíciles y se mantuvo a mi

lado con su apoyo y confianza para lograr esta meta.

A mi amigo Vinicio Guerrero, compañero de aulas y de desahogos, por todo su apoyo

y colaboración.

A la Universidad Central del Ecuador por permitirme realizar el proceso de

investigación en sus laboratorios y brindar asesoramiento, trabajando en conjunto, con

los profesionales encargados del área de investigación.

Al grupo de trabajo del área de investigación, Reynerio Álvarez que en paz descanse,

Jorge López, Ullrich Stahl, Jhonny Correa, Jhoselin Alvear y Pablo Londoño, les

agradezco por su apoyo, comprensión y buenos momentos.

vi

CONTENIDO

1. MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 3

1.1. Café ................................................................................................................................... 3

1.1.1. Residuos de Granos de Café Molido (RGCM). ............................................................ 3

1.1.2. Usos Industriales de los RGCM. ................................................................................... 4

1.1.3. Características y propiedades de los RGCM. ................................................................ 5

1.2. Biomasa. ............................................................................................................................ 6

1.2.1. Tipos de Biomasa. ......................................................................................................... 6

1.2.2. Composición de la Biomasa. ......................................................................................... 7

1.3. Biocombustibles. ............................................................................................................... 7

1.3.1. Tipos de Biocombustibles. ............................................................................................ 7

1.3.2. Clasificación de los Biocombustibles según su Origen. ................................................ 8

1.3.3. Clasificación de los Biocombustibles según su estado de agregación. ......................... 9

1.4. Hidrólisis de enlaces glucosídicos. .................................................................................. 10

1.4.1. Tipos de Hidrólisis. ..................................................................................................... 10

1.4.2. Hidrólisis ácida. ........................................................................................................... 10

1.4.3. Factores que afectan la hidrólisis ácida diluida. .......................................................... 12

1.5. Fermentación. .................................................................................................................. 12

1.5.1. Fermentación alcohólica. ............................................................................................ 12

1.5.2. Levadura (Saccharomyces Cerevisiae) ....................................................................... 13

1.5.3. Factores que afectan la fermentación alcohólica. ........................................................ 13

1.6. Bioetanol ......................................................................................................................... 14

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ................................................................................ 16

2.1. Diseño Experimental ....................................................................................................... 16

2.1.1. Diagrama de Obtención de los RGCM........................................................................ 16

2.1.2. Descripción del proceso de obtención de Bioetanol.................................................... 17

2.1.3. Parámetros fijos. .......................................................................................................... 20

2.1.4. Variables Independientes. ........................................................................................... 20

2.2. Materiales y equipos........................................................................................................ 21

2.2.1. Materiales .................................................................................................................... 21

2.2.2. Equipos ........................................................................................................................ 22

2.3. Sustancias y reactivos...................................................................................................... 22

2.4. Procedimiento ................................................................................................................. 23

vii

2.4.1. Obtención de los Residuos de granos de café molido (RGCM) .................................. 23

2.5. Caracterización física de los RGCM. .............................................................................. 23

2.5.1. Humedad ..................................................................................................................... 23

2.5.2. Tamaño de Partícula .................................................................................................... 23

2.5.3. Azúcares Reductores Totales ...................................................................................... 24

2.5.4. Cantidad de Material Hemi-celulósico. ....................................................................... 25

2.6. Pruebas preliminares ....................................................................................................... 26

2.7. Hidrólisis ácida diluida .................................................................................................... 26

2.8. Regulación de pH. ........................................................................................................... 27

2.9. Fermentación Alcohólica. ............................................................................................... 28

2.10. HPLC Cromatografía líquida de alta eficacia. ............................................................ 29

2.11. Destilación. .................................................................................................................. 31

3. DATOS EXPERIMENTALES ........................................................................................... 32

3.1. Datos de los residuos de café molido usado obtenidos de la cafetería Coffee Belt del

DMQ. …………………………………………………………………………………………..32

3.2. Datos de la humedad. ...................................................................................................... 32

3.3. Datos de los azúcares reductores totales (ART). ............................................................. 32

3.4. Datos de los grados Brix obtenidos (°Bx). ...................................................................... 33

3.5. Datos de pH de las soluciones de Hidrolizado de RGCM. .............................................. 34

3.6. Datos de la hidrólisis ácida diluida. ................................................................................ 35

3.7. Datos obtenidos durante la fermentación del hidrolizado. .............................................. 36

3.8. Datos obtenidos de la destilación del hidrolizado fermentado. ....................................... 37

3.9. Datos del porcentaje de bioetanol obtenidos mediante HPLC. ....................................... 38

3.10. Datos del porcentaje de bioetanol obtenidos con el equipo portable Densito (density

meter). ………………………………………………………………………………………..39

4. CÁLCULOS Y RESULTADOS ......................................................................................... 40

4.1. CÁLCULOS. ................................................................................................................... 40

4.1.1. Caracterización de los residuos de café obtenidos de cafetería. .................................. 40

4.1.1.1. Contenido de humedad de los RGCM después de la extracción de café en el filtro

de la cafetera. .............................................................................................................................. 40

4.1.1.2. Rendimiento de la cantidad de RGCM de cafetería. ............................................... 40

4.1.1.3. Cálculo de la cantidad de azúcares reductores totales. ............................................ 41

4.1.2. Hidrólisis ácida de los RGCM. ................................................................................... 42

4.1.2.1. Cálculos de pruebas preliminares. ........................................................................... 42

4.1.2.2. Rendimiento hidrólisis. ........................................................................................... 43

4.1.2.3. Cálculo de la cantidad de azúcares obtenidos después de la Hidrólisis ácida diluida.

……………………………………………………………………………………..43

viii

4.1.2.4. Cálculo de la cantidad de azúcares por litro de hidrolizado. ............................ 43

4.1.2.5. Cálculo de la cantidad de materia hemicelulósica. ............................................. 44

4.1.2.6. Rendimiento de los azúcares obtenidos mediante la hidrólisis ácida diluida. ......... 44

4.1.3. Fermentación. .............................................................................................................. 45

4.1.3.1. Cantidad de Levadura para el proceso. ................................................................... 45

4.1.3.2. Crecimiento de Levaduras. ...................................................................................... 45

4.1.4. Destilación Simple. ..................................................................................................... 45

4.1.4.1. Volumen de Etanol. ................................................................................................. 45

4.1.4.2. Masa de etanol obtenido. ......................................................................................... 46

4.1.4.3. Rendimiento destilación. ......................................................................................... 46

4.1.5. Cálculo del rendimiento del Bioetanol obtenido. .................................................... 47

4.1.5.1. Rendimiento de Bioetanol en Litros de Etanol por Kilogramo de RGCM. ..... 47

4.2. RESULTADOS. .............................................................................................................. 48

4.2.1. Caracterización de los residuos de café molido usado. ............................................... 48

4.2.1.2. Rendimiento de la cantidad de los RGCM de cafetería. ......................................... 48

4.2.1.3. Resultados de la cantidad de azúcares reductores totales. ....................................... 49

4.2.1.4. Resultados del tamaño de partícula. ........................................................................ 49

4.2.2. Resultados de la hidrólisis ácida diluida. .................................................................... 50

4.2.2.1. Pruebas preliminares. .............................................................................................. 50

4.2.2.2. Rendimiento de la Hidrólisis ácida diluida. ............................................................ 50

4.2.2.3. Resultados de la cantidad de azúcares obtenidos después de la Hidrólisis ácida

diluida. ……………………………………………………………………………………..51

4.2.2.4. Rendimiento de los azúcares obtenidos mediante la hidrólisis ácida diluida. ......... 51

4.2.3. Fermentación. .............................................................................................................. 52

4.2.3.1. Cantidad de Levadura para el proceso. ................................................................... 52

4.2.3.2. Crecimiento de la levadura. ..................................................................................... 52

4.2.3.3. Cantidad de Bioetanol obtenido mediante Cromatógrafo HPLC. ........................... 53

4.2.4. Destilación Simple. ..................................................................................................... 53

4.2.4.1. Volumen de Bioetanol. ............................................................................................ 53

4.2.4.2. Masa de Bioetanol obtenido. ................................................................................... 54

4.2.4.3. Rendimiento destilación .......................................................................................... 54

4.2.5. Análisis estadístico ...................................................................................................... 55

4.2.5.1. Análisis de Varianza en STATGRAPHICS ............................................................ 55

4.2.6. Rendimiento de la Obtención de Bioetanol de RGCM en el DMQ. ........................... 57

5. DISCUSION ....................................................................................................................... 59

6. CONCLUSIONES .............................................................................................................. 62

7. RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 64

ix

8. CITAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................... 66

9. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 69

ANEXOS..................................................................................................................................... 73

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1Esquema de enfoque integrado de biorefinería para la valorización de RGCM.

(Kourmentza et al., 2018) ................................................................................................. 4

Figura 2. Clasificación de los tipos de Biomasa.(López, 2013) ....................................... 6

Figura 3. Clasificación de los Tipos de Biocombustible. (López, 2013) ......................... 8

Figura 4. Reacción de Hidrólisis ácida de la Celulosa. .................................................. 11

Figura 5. Mecanismo de reacción de la Fermentación Alcohólica.(Almeida, 2017) ..... 13

Figura 6. Diagrama de flujo de obtención experimental de Residuos de Granos de Café

molido. ............................................................................................................................ 16

Figura 7. Diagrama de flujo de la Obtención de Bioetanol. ........................................... 17

Figura 8. Diseño Experimental para la evaluación de la variable de respuesta en base a

las variables independientes propuestas en la obtención de Bioetanol. ......................... 19

Figura 9. Dispersión por código de Nivel del ANOVA. ................................................ 56

Figura 10. Gráfico ANOVA de la Obtención de Bioetanol ............................................ 56

Figura 11. Gráfico de Interacciones de los Factores en el ANOVA. ............................. 57

xi

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Composición química de los granos de café gastados y la cascarilla de café. ... 5

Tabla 2. Propiedades físico químicas del alcohol etílico.(Almeida, 2017) .................... 15

Tabla 3. Parámetros definidos para el proceso de Hidrólisis ácida diluida. ................... 20

Tabla 4. Parámetros definidos para el proceso de Fermentación alcohólica. ................. 20

Tabla 5. Variables independientes para el proceso de Hidrólisis ácida diluida. ............ 20

Tabla 6. Resultados del análisis termogravimétrico de la borra de café (Paredes, 2019)

........................................................................................................................................ 25

Tabla 7. Datos de RGCM de la cafetería Coffee Belt y cafetera umco de Laboratorio. 32

Tabla 8. Datos de la medición de humedad de la muestra ............................................. 32

Tabla 9. Datos de la determinación de azúcares totales. ................................................ 33

Tabla 10. Grados Brix obtenidos en la prueba preliminar .............................................. 33

Tabla 11. Grados Brix obtenidos en la hidrólisis acida diluida. ..................................... 33

Tabla 12. Grados Brix obtenidos post Fermentación ..................................................... 34

Tabla 13. Grados Brix obtenidos después de la Hidrólisis ácida concentrada. .............. 34

Tabla 14. Valores de pH de las soluciones de Hidrolizado. ........................................... 34

Tabla 15. Valores de pH después de la fermentación..................................................... 35

Tabla 16. Datos del volumen de la solución del hidrolizado antes y después de la hidrólisis

ácida diluida. ................................................................................................................... 35

Tabla 17. Datos de los pesos de los residuos, filtrados y secos, de la hidrólisis ácida

diluida. ............................................................................................................................ 36

Tabla 18. Datos de volumen final del hidrolizado fermentado. ..................................... 36

Tabla 19. Datos de temperaturas de fermentación tomados en distintos periodos de

tiempo. ............................................................................................................................ 37

Tabla 20. Datos de los pesos de residuos de levadura luego de la fermentación. .......... 37

Tabla 21. Datos experimentales del volumen obtenido de la destilación ....................... 38

Tabla 22. Resultados del porcentaje de volumen de bioetanol obtenidos mediante HPLC.

xii

........................................................................................................................................ 38

Tabla 23. Resultados del porcentaje volumen de bioetanol obtenidos mediante equipo

Densito (density meter). ................................................................................................. 39

Tabla 24. Contenido de Humedad .................................................................................. 48

Tabla 25. Rendimiento de RGCM obtenidos. ................................................................ 48

Tabla 26. Azúcares reductores totales ............................................................................ 49

Tabla 27 Resultados obtenidos del equipo CamSizer. ................................................... 49

Tabla 28. Desviación de los grados Brix de pruebas preliminares. ................................ 50

Tabla 29. Rendimiento de RGCM hidrolizados. ............................................................ 50

Tabla 30. Azúcares reductores post hidrólisis ácida diluida. ......................................... 51

Tabla 31. Rendimiento de AR obtenidos de la Hidrólisis acida diluida......................... 51

Tabla 32. Levadura para el proceso. ............................................................................... 52

Tabla 33. Crecimiento de la masa de Levadura durante el proceso. .............................. 52

Tabla 34. Cantidad de Bioetanol obtenida mediante HPLC. .......................................... 53

Tabla 35. Volumen de Bioetanol por destilación. .......................................................... 53

Tabla 36. Masa de Bioetanol obtenido ........................................................................... 54

Tabla 37. Rendimiento de la Destilación........................................................................ 54

Tabla 38. Datos del diseño estadístico............................................................................ 55

Tabla 39. Análisis de varianza para Bioetanol %v/v - Suma de Cuadrados Tipo III ..... 55

Tabla 40. Rendimiento de la obtención de Bioetanol de RGCM. .................................. 58

xiii

LISTA DE ANEXOS

Anexo A Resultados obtenidos mediante el equipo CAM SIZER ................................. 74

Anexo B Resultados obtenidos del equipo HPLC .......................................................... 75

Anexo C Resultados de la cuantificación de azúcares reductores mediante el titulador. 77

Anexo D Procedimientos y Equipos. .............................................................................. 78

xiv

TÍTULO: Obtención de bioetanol de segunda generación de residuos de granos de

café usado del Distrito Metropolitano de Quito.

AUTOR: Oscar Renato Rovere Herrera

TUTOR: Dra. Elvia Victoria Cabrera Maldonado

RESUMEN

Se obtuvo bioetanol de segunda generación a partir de residuos de granos de café molido

(RGCM) en el Distrito Metropolitano de Quito (DMQ), mediante hidrólisis ácida y

fermentación alcohólica.

Se caracterizaron los RGCM con ensayos de humedad, azúcares reductores totales y un

análisis termogravimétrico. Posteriormente, se obtuvo bioetanol mediante hidrólisis ácida

diluida de los RGCM en un autoclave, seguido de un ajuste de pH y fermentación

alcohólica. El contenido de bioetanol, como variable de respuesta, fue medido mediante

HPLC y corroborado al destilar las muestras y medir con el equipo Density meter.

Además, en el diseño experimental se tomaron en cuenta dos variables independientes:

concentración de ácido diluido y la relación de gramos de RGCM por litros de solución

(S/L), siendo evaluados mediante un análisis estadístico de varianza de dos factores usando

el programa estadístico STATGRAPHICS®, en dos y tres niveles respectivamente.

Se concluye que la obtención de bioetanol a partir de los residuos de café molido en el

DMQ es factible, siendo el mayor porcentaje de bioetanol medido por HPLC de 1.53

%v/v y un rendimiento máximo de 0.171 LEtOh/kgRGCM. Además, la relación (S/L) tiene

un efecto estadístico significativo al tener un valor P de 0.0043 con un 95 % de nivel de

confianza.

PALABRAS CLAVE: RESIDUOS DE GRANOS DE CAFÉ MOLIDO/ BIOETANOL/

HIDRÓLISIS ÁCIDA DILUIDA/ FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA/ AZÚCARES

REDUCTORES.

xv

TITLE: Obtaining of second generation bioethanol from spent coffee grounds in the

Metropolitan District of Quito.

AUTHOR: Oscar Renato Rovere Herrera

TUTOR: Dra. Elvia Victoria Cabrera Maldonado

ABSTRACT

A second generation bioethanol was obtained from Spent Coffee Grounds (SCG) residues

in the Metropolitan District of Quito (MDQ), by means of acid hydrolysis and alcoholic

fermentation of sugars.

The SCG were characterized via moisture tests, total reducing sugars and a

thermogravimetric analysis. Subsequently, bioethanol was obtained by dilute acid

hydrolysis of the SCG in an autoclave, followed by a pH adjustment and alcoholic

fermentation. The bioethanol content, as response variable, was measured by HPLC and

corroborated by distilling the samples and measuring with the Density meter. Moreover,

two independent variables were taken into account in the experimental design: diluted

acid concentration and the ratio of grams of SCG per liter of solution (S/L), evaluated by

means of a two-factor variance statistical analysis using STATGRAPHICS®, in two and

three levels respectively,.

It is concluded that, obtaining bioethanol from spent coffee grounds in the MDQ is

feasible, with the highest percentage of bioethanol measured by HPLC being 1.53 %v/v

and a maximum yield of 0.171 LEtOh/kgRGCM. Furthermore, the (S/L) ratio has a significant

statistical effect by having a P value of 0.0043 with a 95% confidence level.

KEY WORDS: SPENT COFFEE GROUNDS / BIOETHANOL / DILUTED ACID

HYDROLYSIS / ALCOHOLIC FERMENTATION / REDUCING SUGARS.

1

INTRODUCCIÓN.

En la actualidad se ha planteado la problemática de la dependencia de combustibles

fósiles para satisfacer necesidades energéticas de la población mundial, para combatir

esta necesidad han surgido nuevas alternativas para el uso de biomasa como materia

prima en la obtención de biocombustibles, el problema de esto se ha encontrado en el

uso de biomasa de primera generación o biomasa que puede ser aprovechada de mejor

forma por el ser humano antes que en la obtención de biocombustibles, por lo que

siguiendo la línea base se empezó a trabajar con biomasa de desecho o residuos de

biomasa que no afecten el consumo humano o animal.

La industria del café está entre las más grandes a nivel de producción en el mundo,

según reportes del 2018 la producción mundial fue de alrededor de 168 Millones de

sacos de 60 kg según la Organización Mundial del Café (ICO por sus siglas en inglés).

En Ecuador el cultivo de café se encuentra dentro de las principales actividades

agrícolas y la producción de café está en auge con una producción anual de 625000

sacos de 60 kilogramos, según datos de la ICO Ecuador exportó 177000 sacos en

2018/19 por lo que un remanente de los 625000 producidos sería un buen aproximado

para el consumo nacional, el cual sería alrededor de 448000 sacos de 60 kg (unas

26880 toneladas). El café se produce en 23 de las 24 provincias del país y las

variedades más representativas son robusta y arábiga. Esto ha llevado a que salgan al

mercado nuevas marcas de café en la modalidad granulado, tostado y molido, etc.

El Distrito Metropolitano de Quito (DMQ), ubicado en la Provincia de Pichincha,

región Sierra del Ecuador a una altura de 2850 m sobre el nivel del mar, posee un clima

variado con temperaturas entre los 8 y 20°C, siendo la capital del Ecuador es muy

activa y propicia para los negocios y el turismo, siendo una ciudad amante del café que

posee una extensa red de cafeterías, muchas de estas dedicadas al café de especialidad

y otras al café pasado tradicional, que generan de 10 a 12 g de residuos de granos de

café molido (RGCM) por taza de café como lo indica el Ing. Marco Cortez gerente

2

propietario de Coffee Belt, llamados en inglés Spent Coffee Grounds(SCG), que no

son más que los residuos remanentes de la extracción sólido – líquido de café durante

la preparación de café bebible y derivados, un porcentaje estimado de alrededor del 60

- 90% del café preparado termina en la forma de residuos de granos de café molido

(Murthy & Madhava Naidu, 2012), los cuales son desechados de forma común a través

del sistema de recolección de basura.

Existen investigaciones sobre el uso de RGCM como materia prima para la elaboración

de biocombustibles de segunda generación, como en Burnion-Figols, 2016 y Juarez,

2017, los RGCM se caracterizan por su alto contenido hemi-celulósico, el cual se

transforma en azúcares fermentables para la producción de bioetanol, el cual al ser un

biocombustible puede ser usado en la industria, siendo amigable con el medio

ambiente y apetecido por su alto octanaje.

Basados en estos antecedentes, el presente trabajo de investigación se planteó la

obtención de Bioetanol a partir de RGCM dentro del DMQ, obteniendo la materia

prima de una red de cafeterías de especialidad, se procedió a realizar una

caracterización de los RGCM obtenidos, se midió contenido de humedad, cantidad de

azúcares reductores totales mediante titulación y el contenido de Celulosa,

Hemicelulosa y Lignina mediante un análisis termogravimétrico (TGA),

posteriormente se realizó una hidrólisis ácida diluida en un autoclave, a distintas

concentraciones y relaciones sólido/líquido, a lo obtenido se separó los sólidos

remanentes y se neutralizó su pH a uno establecido para seguido realizar una

fermentación alcohólica y medir mediante Cromatografía líquida de alta eficacia

(HPLC) el porcentaje de volumen de bioetanol en la solución fermentada,

corroborándose estos valores mediante un análisis con el equipo Density meter, luego

de una destilación de las soluciones, y así calcular el rendimiento del proceso, además,

de realizar un análisis de varianza de dos factores para determinar si las variables

independientes planteadas poseen significancia estadística en la obtención de

bioetanol.

3

1. MARCO TEÓRICO

1.1. Café

El café es la bebida que se obtiene a partir de las semillas tostadas y molidas de los frutos de la

planta del café. Es una bebida estimulante por su contenido de cafeína. Suele tomarse durante el

desayuno, después de éste o incluso como único desayuno, aunque también se acostumbra

tomarlo después de las comidas o cenas, para entablar conversaciones o sólo por costumbre. Es

una de las bebidas sin alcohol más socializadoras en muchos países. Las formas más populares

de tomarlo son negro y con leche (con o sin azúcar); también se le suele añadir crema o nata,

leche condensada, chocolate o algún licor ya dependiendo de la receta pues hay muchas maneras

de prepararlo. Se sirve habitualmente caliente, pero también se toma frío o con hielo. En España,

Portugal, Paraguay, Brasil y Argentina es frecuente el consumo de café torrado o torrefacto, es

decir, tostado en presencia de azúcar.(Espinoza Alarcón, 2015)

1.1.1. Residuos de Granos de Café Molido (RGCM).

Los residuos de granos de café molido usado (RGCM), borra de café o Spent coffee grounds

(SCG) en inglés, son los residuos remanentes del café molido luego de la extracción por infusión

con agua caliente en la preparación de café bebible, normalmente estos residuos quedan en los

filtros de la cafetera, o de pasado, con un alto contenido de humedad.

Dado que la preparación del café consiste en extraer una pequeña cantidad de compuestos

seleccionados del grano, la industria genera corrientes de desechos masivos en forma de residuos

de granos de café molido gastados (RGCM), que es el término utilizado para los residuos molidos

que quedan después de que se hayan eliminado los compuestos deseables.(McNutt & He, 2019)

Los RGCM todavía contienen altas cantidades de azúcares, aceites, antioxidantes y otros

compuestos de alto valor, y son una fuente potencial de energía. Existen varias investigaciones

que describen métodos o procesos para de utilizar los RGCM por completo mediante la

extracción de compuestos y dar un valor agregado, ya sea extrayendo azúcares y aceites para

producir biocombustibles renovables, aislando los fenólicos y antioxidantes restantes para su uso

4

como suplementos nutracéuticos, o combinándolo con otras sustancias para crear nuevos

materiales.(McNutt & He, 2019)

1.1.2. Usos Industriales de los RGCM.

Los RGCM se caracterizan por un alto contenido orgánico, en forma de polisacáridos insolubles,

aceites, aminoácidos, polifenoles y minerales.(Kourmentza, Economou, Tsafrakidou, &

Kornaros, 2018). En la figura 1 se muestra un esquema del proceso de valorización de RGCM

para generar diferentes productos planteados por Kourmenta y colaboradores.

Figura 1Esquema de enfoque integrado de biorefinería para la valorización de

RGCM

EXTRACCIÓN DE FENOLES

(Autohidrólisis, Ultrasonicación, microondas,

extracción sólido-líquido)

RGCM residual Fenoles

Extracción de Aceite

(Soxhlet, DME, ultrasonicación) Biogás Hongos

RGCM

residual Aceites

Transesterificación Cultivo de

Bacterias

Hidrólisis Pirolisis Abono

PHAs

Biodiesel Biocarbón Azúcares

Cultivo de

Bacterias

Cultivo de

Levaduras

PHAs Etanol

5

RGCM..(Kourmentza et al., 2018)

1.1.3. Características y propiedades de los RGCM.

La mayoría de los RGCM tienen una composición similar el componente mayoritario de RGCM

son los polisacáridos, más específicamente celulosa y hemicelulosa, que se combinan para formar

alrededor del 50% de la masa seca (Ballesteros, Teixeira, & Mussatto, 2014). Entre los azúcares

los principales de la hemicelulosa son la Manosa, galactosa y arabinosa, mientras que la glucosa

es el componente principal de la celulosa. Los siguientes compuestos más abundantes son lignina

y proteína, que constituyen aproximadamente el 20% la masa seca. En la Tabla 1 se muestra la

composición química de los RGCM y también de la cascarilla del café. (Ballesteros et al., 2014)

Tabla 1. Composición química de los granos de café gastados y la cascarilla de café.

Compuestos químicos Composición (g/100g material seco)

Granos de café molido / Cascarilla de café

Celulosa 12.40±0.79 23.77±0.09

Hemicelulosa 39.10±1.94 16.68±1.30

Arabinosa 3.60±0.52 3.54±0.29

Manosa 19.07±0.85 1.77±0.06

Galactosa 16.43±1.66 3.76±1.27

Xilosa Nd 7.61±0.02

Lignina 23.90±1.70 28.58±0.46

Insoluble 17.59±1.56 20.97±0.43

Soluble 6.31±0.37 7.61±0.16

Grasa 2.29±0.30 3.78±0.40

Cenizas 1.30±0.10 5.36±0.20

Proteína 17.44±0.10 18.69±0.10

Nitrógeno 2.79±0.10 2.99±0.10

Carbono/nitrógeno

(C/N)

16.91±0.10 14.41±0.10

Fibra de dieta total 60.46±2.19 54.11±0.10

Insoluble 50.78±1.58 45.98±0.18

Soluble 9.68±2.70 8.16±0.90

Los resultados están expresados como medias ± desviación estándar; n=3.

6

La granulometría de los residuos de café, permite una rápida extracción de las sustancias con

solventes convenientes.(Peshev, Mitev, Peeva, & Peev, 2018)

1.2. Biomasa.

La biomasa es aquella materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo residuos o

desechos de los cuales se aprovechan su potencial energético. La energía almacenada en la

biomasa se crea mediante la transformación de la energía solar en energía química a través del

proceso de fotosíntesis que se da en las plantas.(Fernandez, 2004)

1.2.1. Tipos de Biomasa.

La clasificación de los tipos de biomasa depende del origen y de la naturaleza, esto se refiere

principalmente a los tipos de residuos orgánicos que pueden ser usados en procesos, como

materia prima o para ser transformados en energía. En la figura 2 se describe esquemáticamente

los tipos de biomasa.

Figura 2. Clasificación de los tipos de Biomasa.(López, 2013)

7

1.2.2. Composición de la Biomasa.

La biomasa vegetal dependiendo de su procedencia, posee diferente composición en términos de

celulosa, hemicelulosa, lignina, humedad, contenido mineral y componentes extractables como

terpenos, taninos, ácidos grasos, aceites y resinas. (López, 2013; Paredes, 2019)

El contenido de estos componentes en la biomasa, puede determinarse por medio de técnicas

termo gravimétricas de conversión, que permiten generar información sobre la cantidad de

materia que se degrada térmicamente en intervalos de temperatura.(Paredes, 2019)

El pico en la zona de menor temperatura (200°C – 350°C) está asociado a la degradación de la

hemicelulosa, el pico intermedio (350°C – 500°C) representa la degradación de la celulosa y el

pico a mayor temperatura (> 500°C) hace referencia a la degradación de la lignina. (López, 2013;

Paredes, 2019)

1.3. Biocombustibles.

Los biocombustibles son derivados de la biomasa, que pueden tener la presencia de una o más

sustancias orgánicas, con un poder calorífico que varía en un rango de 12 MJ/kg a 30 MJ/kg, los

cuales son utilizados desde hornos hasta motores de combustión interna.

Los biocombustibles son considerados una excelente alternativa energética por su alta diversidad

y buena adaptación a los equipos de combustión, ya que en la actualidad se utilizan los

combustibles fósiles para el transporte, industrias, generación de electricidad, entre otros campos.

(Ramos, 2016)

1.3.1. Tipos de Biocombustibles.

Los biocombustibles se clasifican según el origen de la biomasa y el estado de agregación de la

8

materia, en la figura 3 se describe la clasificación de los tipos de biocombustibles.

Figura 3. Clasificación de los Tipos de Biocombustible. (López, 2013)

1.3.2. Clasificación de los Biocombustibles según su Origen.

Los biocombustibles según el origen de la materia prima (biomasa) que las producen, se

clasifican en biocombustibles de primera, segunda, tercera y cuarta generación.

1. Los de primera generación se producen a partir de azúcares o aceites que provienen de

plantaciones que tienen un fin comestible. Por ejemplo, la caña de azúcar, el maíz, la soja, entre

otras.

2. Los de segunda generación se obtienen a partir de la materia prima que no es consumible

por el ser humano, pero sí por los animales o como abono para la agricultura. Por ejemplo, los

residuos forestales y agrícolas con alto contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina.

3. Los de tercera generación provienen de organismos que producen su propio alimento a

partir de energía solar y dióxido de carbono. Por ejemplo, las algas que se cultivan en reactores

fotoquímicos para luego cosecharlas, secarlas y extraer el aceite contenido en sus células, que

posteriormente con ayuda de otros mecanismos se convierten en combustibles.

4. Los de cuarta generación se producen a partir de organismos genéticamente modificados

para capturar mayor cantidad de dióxido de carbono en el ambiente, por lo que contribuye a

disminuir los gases de efecto invernadero y mejorar la eficiencia energética. (López, 2013)

Clasificación de los tipos de Biocombustibles

Cuarta Generación

Tercera Generación

Segunda Generación

Primera Generación

Clasificación por su origen: Clasificación por su estado de agregación:

Gaseosos

Líquidos

Sólidos

9

1.3.3. Clasificación de los Biocombustibles según su estado de agregación.

Los biocombustibles clasificados por su estado de agregación son sólidos, líquidos y gaseosos.

1. Biocombustibles Sólidos.

Estos biocombustibles son de tipo primario, constituidos por materias lignocelulósicas

procedentes del sector agrícola o forestal, como residuos de la naturaleza. Estos biocombustibles

se presentan principalmente en forma de astillas, pellets y briquetas, debiendo cumplir cada uno

de ellos ciertas especificaciones. (Paredes, 2019)

2. Biocombustibles Líquidos.

La producción de biocombustibles líquidos que suplan a los derivados del petróleo (gasolina y

diésel) es una opción muy ventajosa en cuanto al empleo de energías renovables y reducción de

problemas medioambientales.

Existen dos tipos de biocombustibles líquidos: los bioalcoholes (bioetanol) que se obtienen a

partir de la fermentación mediante levaduras de materiales azucarados como caña de azúcar,

remolacha, maíz, etc., y los biogasoleos (biodiesel) que se obtienen del proceso de

transesterificación de materiales oleaginosos como girasol, colza, etc., o bien de grasas

animales.(López, 2013)

El biodiesel del café posee una mejor estabilidad que el biodiesel de otras fuentes debido a su

alto contenido de antioxidantes (lo que dificulta el proceso de rancimat).(Narasimharao, Susanta

K., & Mano, 2008)

3. Biocombustibles Gaseosos.

Los biocombustibles gaseosos que se obtienen a partir de la biomasa son el gas de gasógeno, el

biogás y el hidrógeno. El gas de gasógeno proviene de la gasificación de materia orgánica a altas

temperaturas en ausencia de oxígeno, su poder calórico varía entre 1.000 - 1.200 kcal/m3. El

biogás tiene como principal componente el metano y es el resultado de la digestión anaerobia de

la biomasa, el cual presenta un poder calorífico aproximado de 5.500 kcal/m3. El hidrógeno se

produce a partir del reformado de la materia orgánica, es decir que se rompen las macro

10

moléculas en sus componentes elementales: carbono e hidrógeno, este último produce agua y

energía (27 kcal/g) como productos de su combustión.(Paredes, 2019)

1.4. Hidrólisis de enlaces glucosídicos.

Hidrólisis proviene de las palabras griegas hidros, que significa agua y lisis que significa ruptura.

Reacción en la cual una sustancia reacciona con uno o ambos iones del agua para generar dos

productos, sin que se produzca transferencia de electrones.(Gonzáles, 2009)

La hidrólisis de un enlace glucosídico se lleva a cabo mediante la disociación de una molécula

de agua del medio. El H+ del agua se une al oxígeno del extremo de una de las moléculas de

azúcar; el OH- se une al carbono libre del otro residuo de azúcar. El resultado de esta reacción,

es la liberación de un monosacárido y el resto de la molécula que puede ser un monosacárido si

se trataba de un disacárido o bien del polisacárido restante si se trataba de un polisacárido más

complejo.(Almeida, 2017)

1.4.1. Tipos de Hidrólisis.

Existen dos principales tipos de Hidrólisis, la hidrólisis ácida y la hidrólisis enzimática, la

hidrólisis ácida como su nombre lo menciona usa un ácido, normalmente un ácido fuerte (H2SO4

O HCl), y la hidrólisis enzimática que usa enzimas para la degradación o licuefacción de la

biomasa, almidones, y para su sacarificación.

1.4.2. Hidrólisis ácida.

Los ácidos concentrados como H2SO4 y HCl se han utilizado para tratar materiales

lignocelulósicos. Aunque son agentes poderosos para la hidrólisis de celulosa, los ácidos

concentrados son tóxicos, corrosivos y peligrosos y requieren reactores resistentes a la corrosión.

Además, el ácido concentrado debe recuperarse después de la hidrólisis para que el proceso sea

económicamente viable.

El principal problema de la hidrólisis ácida es que la descomposición de los azúcares

monoméricos producidos durante la reacción tiene lugar simultáneamente con la hidrólisis de los

polisacáridos. Para evitar la descomposición de azúcares, es muy importante llevar a cabo el

11

proceso en condiciones de reacción adecuadas.(Mussatto, Carneiro, Silva, Roberto, & Teixeira,

2011)

La hidrólisis ácida diluida se ha desarrollado con éxito para el pretratamiento de materiales

lignocelulósicos.

Los procesos de hidrólisis ácida diluida recientemente utilizan condiciones menos severas y

logran altos rendimientos de conversión en muchos materiales lignocelulósicos (Hinman, 1992).

Existen principalmente dos tipos de procesos de pretratamiento con ácido diluido: alta

temperatura (T > 160 C), proceso de flujo continuo para baja carga de sólidos (5–10% [peso del

sustrato / peso de la mezcla de reacción]) (Brennan et al, 1986; Converse et al, 1989), y a baja

temperatura (T <160 C), proceso por lotes para alta carga de sólidos (10–40%) (Cahela et al,

1983; Esteghlalian et al, 1997) Aunque el pretratamiento con ácido diluido puede mejorar

significativamente la hidrólisis de la celulosa, su costo suele ser más alto que algunos procesos

de pretratamiento fisicoquímico como la explosión de vapor o AFEX. Es necesaria una

neutralización del pH para los procesos de hidrólisis enzimática o fermentación posteriores.

En la figura 4 se representa la hidrólisis ácida de la celulosa para obtener glucosa.

Figura 4. Reacción de Hidrólisis ácida de la Celulosa.

H2SO4

Celulosa

12

1.4.3. Factores que afectan la hidrólisis ácida diluida.

Existen varios factores que afectan la eficiencia de la hidrólisis ácida diluida, los más importantes

o de mayor trascendencia dentro del proceso son:

La relación líquido-sólido (establece las partes o cantidad en gramos o mililitros de líquido o

solución por partes o gramos de materia), trabajando con niveles en los cuáles no se sature la

solución y se genere una buena sacarificación, la concentración de la solución, siendo

mayormente usada una concentración ≤ 5% w, el tiempo de reacción y la temperatura de reacción.

1.5. Fermentación.

La fermentación desde un punto de vista de la microbiología, es un proceso donde los

microorganismos a partir de materia orgánica se transforman en metabolitos o biomasa, con o

sin ayuda de oxígeno. El sustrato es descompuesto por enzimas producidas por microorganismos

para tal finalidad.(Almeida & Cabrera, 2017)

1.5.1. Fermentación alcohólica.

La fermentación alcohólica es el proceso por el cual se producen bebidas con un contenido

alcohólico, estas son elaboradas a partir de materias vegetales que presenten un contenido de

hidratos de carbono (azúcares), se realiza mediante la acción de microorganismos o enzimas que

procesen los azúcares (sacarosa, glucosa, manosa, galactosa, etc) obteniendo como metabolito

primario el Etanol.

El mecanismo consiste en que el piruvato que se obtiene de la glucosa en descarboxilado hasta

etanal (acetaldehído), por medio de la enzima piruvatodescarboxilasa. El etanal es reducido a

etanol por la enzima alcohol deshidrogenesa..(Almeida & Cabrera, 2017)

En la figura 5 se presenta el mecanismo de reacción de la fermentación alcohólica.

13

Figura 5. Mecanismo de reacción de la Fermentación Alcohólica.(Almeida, 2017)

1.5.2. Levadura (Saccharomyces Cerevisiae)

La levadura Saccharomyces cerevisiae es un hongo ascomiceto que ha sido ampliamente

estudiado dada su importancia en la industria panadera y vitivinícola, así como por su capacidad

de producir etanol. Este microorganismo muestra 5 fases de crecimiento bien definidas cuando

es cultivado en medios líquidos con glucosa como fuente de carbono: la fase lag, la fase

logarítmica, el cambio diáuxico, la fase postdiáuxica y la fase estacionaria.(Folch-mallol, Garay-

arroyo, Lled, & Robles, 2004)

1.5.3. Factores que afectan la fermentación alcohólica.

Concentración de azúcares.

La concentración excesiva o muy baja de hidratos de carbono en forma de monosacáridos y

disacáridos disminuye la actividad de las levaduras. Los grados Brix es la unidad de medida de

sólidos solubles presentes en una solución, expresados en porcentaje p/v de sacarosa. El proceso

14

de fermentación puede ser frenado si el °Brix es muy alto. En un mosto si se tiene el °Brix muy

bajo el grado alcohólico resultante será pobre.(Almeida, 2017)

pH.

Se pueden tener algunas complicaciones debido a que las levaduras son afectadas por el medio

alcalino o ácido, y debido a que algunas frutas contienen algunos ácidos (ácido tartárico, málico)

limitan el proceso. (Almeida, 2017) Por experimentación y referencias bibliográficas se trabaja

en un rango óptimo de 5 a 5.5 de pH.

Temperatura.

La transformación de los azúcares produce una reacción exotérmica, desprendimiento de calor.

Si la temperatura es baja el proceso de fermentación será lento. La temperatura ideal para el

proceso de fermentación es 30 °C.(Almeida, 2017)

Nutrientes.

En la fermentación se necesita de nutrientes, como ser vivo necesita alimentarse para poder

trabajar, necesita nitrógeno y fósforo (urea y fosfato de amonio).(Almeida, 2017)

Contacto con el aire.

No debe existir contacto con el aire, por lo que los recipientes deben ser herméticos, si existe una

mínima cantidad de oxígeno en contacto con el mosto el proceso se detiene por completo (es

denominado el efecto Pasteur).(Olavarria, 2014; Almeida, 2017)

1.6. Bioetanol

Es conocido también como alcohol etílico, es un líquido incoloro e inflamable con un punto de

ebullición de 78 °C. Su fórmula química es CH3-CH2OH, está presente en las bebidas alcohólicas,

se usa como antiséptico y como biocombustible .(Almeida, 2017) En la tabla 2 se presentan las

propiedades físico químicas del alcohol etílico a 100 °C y 1 atm.

15

Tabla 2. Propiedades físico químicas del alcohol etílico.(Almeida, 2017)

Propiedades físico químicas Descripción

Estado de agregación Líquido

Apariencia Incoloro

Densidad 810 kg/m3 ;(0.810g/cm3)

Masa molecular 46,07 uma

Punto de fusión 158.9 K (-114.1 °C)

Punto de ebullición 351.6K (78.6 °C)

Temperatura crítica 514 K (-114.1 °C)

Presión crítica 63 atm

Temperatura de inflamación 13 °C

Poder calorífico inferior 6.619 Kcal/Kg

Poder calorífico Superior 7.302 Kcal/Kg

A diferencia de los combustibles fósiles, el etanol es una fuente de energía renovable producida

a través de la fermentación de azúcares. El etanol se usa ampliamente como un reemplazo parcial

de gasolina en los Estados Unidos. El etanol combustible que se produce a partir del maíz se ha

utilizado en gasohol o combustibles oxigenados desde la década de 1980.(Sun & Cheng, 2002)

La utilización del café molido como materia prima para bioetanol presenta varias ventajas,

especialmente en comparación con otros tipos de materia prima. Por ejemplo, el café molido no

es comestible y se puede recolectar fácilmente de la industria alimentaria.(Murthy & Naidu,

2012; Kwon, Yi, & Jeon, 2013)

16

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

En este apartado se define el proceso de obtención de los residuos de granos de café molido

(RGCM) usado, el proceso de operación para la transformación de la biomasa en azúcares

fermentables y en consecutivo su procesamiento para la obtención de Bioetanol.

2.1. Diseño Experimental

2.1.1. Diagrama de Obtención de los RGCM.

Figura 6. Diagrama de flujo de obtención experimental de Residuos de Granos de Café

molido.

Los residuos de Granos de café molido usados, se obtuvieron de cafeterías de especialidad del

Distrito Metropolitano de Quito, principalmente de la cafetería Coffee Belt propiedad del Ing.

Marco Cortez, las cuales trabajan con café Arábiga, después de su molienda, infusión y

filtración para servir un café de alta calidad, los residuos remanentes en el filtro son retirados

y puestas en bolsas plásticas selladas, las cuales se almacenan en frío, a temperaturas cercanas

a los 4 °C hasta su procesamiento.

Café

Tostado

Molienda

Infusión

Filtrado

Agua caliente

Café bebible

RGCM

17

2.1.2. Descripción del proceso de obtención de Bioetanol

Figura 7. Diagrama de flujo de la Obtención de Bioetanol.

Para el proceso de obtención de etanol a partir de residuos de granos de café molido usado se

determinaron dos variables independientes, concentración de ácido diluido y la relación de

gramos de sólidos por litros de solución S/L.

Los residuos de granos de café molido usados son pesados y luego secados en una estufa a

105°C por aproximadamente de 1 hora, lo cual no afecta las propiedades de la biomasa, esto

Autoclavado

T: 124 °C

T: 1h

Residuos

-Celulosa

-Lignina

Filtración

Centrifugación

SECADO

Sacarificación

(hidrólisis ácida)

Granos de Café Molido

usados

Agua

Fermentación Alcohólica

Levadura activada

Bioetanol

NaOH(s)

(Ajuste pH)

Residuos de

Fermentación

H2SO4 (l)

Filtración

Centrifugación

Destilación

18

se realiza hasta un punto en el cual la humedad de los RGCM sea mínima o nula, dando valores

con variaciones mínimas en el pesaje, para obtener el porcentaje de humedad presente en la

muestra.

Se realiza la hidrólisis ácida diluida, de los residuos de granos de café molido usados de

cafeterías del DMQ, con ácido sulfúrico diluido en un rango de trabajo de (1 a 5%w/w), en

tres niveles de dilución a concentraciones baja, media y alta.

Se trabajó con dos relaciones S/L distintas, 1 y 2 [g/20mL de solución] respectivamente por

cada muestra de hidrolizado, siendo preparadas las muestras poco antes de realizar la hidrólisis

en un autoclave.

De lo investigado bibliográficamente, para el uso adecuado del autoclave, el rango óptimo de

temperaturas para realizar el hidrolizado se encuentran entre 120 y 140 °C, pero por las

condiciones operacionales de los equipos del área de investigación, se propone realizar una

hidrólisis a condiciones de 124 °C dentro del autoclave por 60 minutos, y luego se deja enfriar

a temperatura ambiente.

Previo a la fermentación, se procedió a medir las grados °Brix con un refractómetro, para

obtener una estimación de los azúcares presentes en los hidrolizados, luego de esto se procedió

a regular el pH con NaOH Anhidro y soluciones de NaOH (ac) 1M y 0,1M, con un

potenciómetro calibrado.

En la fermentación se trabajó con un nivel de pH, en un rango óptimo de trabajo de 5.1 a 5.4

para la Saccharomyces cerevisiae, y una temperatura de 28 a 34 °C, por lo que se dispuso de

una plancha de calentamiento y se controló la temperatura con una termocupla, en un lugar

obscuro y seco.

La levadura obtenida de la marca comercial La Reposterita, fue previamente activada en un

vaso de precipitación, con calentamiento de 30°C y un agitador magnético a 150 rpm, con

azúcar comercial en base a lo dispuesto por el distribuidor La Reposterita.

La fermentación se realizó, usando 1 gramo de levadura por litro de solución en un tiempo de

5 días, manteniendo una temperatura promedio de 30°C, con referencia al procedimiento

19

descrito por Asif H. Khoja, Ehsan Ali y otros en la investigación, Comparative study of

bioethanol production from sugarcane molasses by using Zymomonas mobilis and

Saccharomyces cerevisiae.

El diseño experimental se describe en la figura 8 en el mismo se escogieron tres niveles para

el factores de Concentración, inferior, medio y superior respectivamente, y dos niveles para

el factor de relación sólido-líquido, obteniendo un diseño factorial a*b = 2*3 con una réplica

por lo que se obtuvieron 12 experimentos.

Figura 8. Diseño Experimental para la evaluación de la variable de respuesta en base a las

variables independientes propuestas en la obtención de Bioetanol.

Dónde:

SL= Relación S/L

C = Concentración de ácido en solución

CEt = concentración de etanol obtenido

R: Réplica de la solución.

RGCM

SL 2

SL 1

C1

C2

C3

C2

C1

C3

CEt 1

CEt 1R

CEt 2

CEt 2R

CEt 3

CEt 3R

CEt 1

CEt 1R

CEt 2

CEt 2R

CEt 3

CEt 3R

20

2.1.3. Parámetros fijos.

Se determinaron los parámetros para la hidrólisis ácida diluida y la fermentación alcohólica

como se muestran en las tablas 3 y 4.

Estos valores fueron tomados a partir de diversas fuentes bibliográficas tales como el Trabajo

de Grado “Obtención de bioetanol a partir de hidrólisis enzimática y fermentación de

arracacha”, Trabajo de grado “Obtención de bioetanol de segunda generación (2g) a partir de

cáscara de arroz. Una propuesta pro ambiental”, y en las publicaciones de Juarez, 2017 y

Burniol-Figols, 2016,

Tabla 3. Parámetros definidos para el proceso de Hidrólisis ácida diluida.

Parámetro Valor

Concentración de solución ≤ 5%

Volumen de solución 20 mL

Tiempo 60 min

Temperatura 124°C

Tabla 4. Parámetros definidos para el proceso de Fermentación alcohólica.

Parámetro Valor

Temperatura de fermentación 30°C

Concentración de la levadura 1 g/L

Tiempo 5 d

pH de solución 5.2

2.1.4. Variables Independientes.

Tabla 5. Variables independientes para el proceso de Hidrólisis ácida diluida.

Relación S/L

g/20mL

Concentración de H2SO4 %W/W

Bajo Medio Alto

1 1 3 5

2 1 3 5

21

2.2. Materiales y equipos

2.2.1. Materiales

Vasos de precipitación V = 100 mL Ap. = ± 20 mL

V = 50 mL Ap. = ± 10 mL

V = 20 mL Ap. = ± 5 mL

Erlenmeyer V = 25 mL Ap. = ± 5 mL

Probetas V = 10 mL Ap. = ± 0.1 mL

Pipeta graduada V = 10 mL Ap. = ± 0.1 mL

V = 1 mL Ap. = ± 0.01 mL

Pipeta aforada V = 5 mL

Balón aforado V = 500 mL

V = 50 mL

V = 25 mL

V = 20 mL

Agitador de vidrio L = 20 cm

Embudo de vidrio D = 10 cm

Balón de destilación V = 50 mL

Termómetro R = (10-110) °C Ap. = ± 1 °C

Vidrio reloj D = 10 cm

Frascos ámbar de vidrio V = 500 mL Ap.= ±100 mL

Jeringuillas de plástico V = 3 mL

Bomba de vacío Marvac L-3

Mangueras de caucho D = ½ in

Papel filtro Estándar

Soporte universal

Pinzas para soporte universal

Nueces

Vial de vidrio V = 1.5 mL Ap = ±0.01mL

Filtro de 0.45 μm Chromafil Xtra

22

2.2.2. Equipos

Balanza analítica R = (0 - 220) g Ap. = ± 0.0001 g

Balanza Mettler Toledo (MT) R = (0-500) g Ap. = ± 0.01g

Plancha de calentamiento y agitación MT 120 V; 698 W; 60Hz

Centrifuga SKY R = (0-3500) rpm

Estufa Memmert R = (0 - 220)°C Ap. = ± 0.1 °C

Autoclave Biobase R = (20-130)°C P= 15 MPa

Potenciómetro MT R = (0-14) °C Ap. = ± 0.01 °C

Cronómetro Motorola Ap. = ± 0.01s

Brixométro R = (0 - 95)% Ap. = ± 0.25 °Brix

Equipo para determinar azúcares reductores:

Titulador Mettler Toledo, Modelo: T50

Equipo para la determinar cantidad de alcohol en las muestras:

Cromatógrafo (HPLC – RI) Waters Alliance, Modelo: 2695

Columna Waters Alliance, Sugar Pak

Densímetro Mettler Toledo, Modelo: 30PX

R = (0- 2) g/mL Ap. = ± 0.01 g/mL

Equipo para determinar tamaño de partícula:

CamSizer Retsch Technology, Modelo: P4

2.3. Sustancias y reactivos

Hidróxido de sodio NaOH(s)

Ácido sulfúrico al 98% H2SO4(l)

Agua destilada H2O(l)

Tartrato de Sodio y Potasio KNaC4H4O6·4H2O(ac)

Yoduro de Potasio KI(ac)

Tiosulfato de Sodio Na2S2O3(ac)

Alcohol Etílico C2H5OH(l)

23

Levadura Saccharomyces Cerevisiae.

Glucosa C6H12O6 (s)

Solución de EDTA C10H16N2O8 (ac)

Solución de Fehling A (CuSO4) (ac)

Solución de Fehling B (NaOH + KNaC4H4O6 x 4H2O) (ac)

2.4. Procedimiento

2.4.1. Obtención de los Residuos de granos de café molido (RGCM)

Los residuos de granos de café molido usado fueron obtenidos de cafeterías en el Distrito

Metropolitano de Quito, estos fueron separados del filtro de cafetera y guardados en frío

inmediatamente después de la extracción para su conservación.

2.5. Caracterización física de los RGCM.

Se realizaron varios ensayos de caracterización físico-química a las muestras.

2.5.1. Humedad

El porcentaje de humedad se obtuvo gravimétricamente mediante el siguiente procedimiento.

1. Pesado mediante balanza analítica de un recipiente resistente a alta temperatura.

2. Pesado mediante balanza analítica de la materia húmeda.

3. Usar una estufa a 105 ± 2 °C por aproximadamente 60 min.

4. Retirar y pesar en seco, registrar y reponer la muestra en la estufa 10 min.

5. Retirar y pesar en seco, repetir el paso 4 hasta que el valor se mantenga relativamente

constante.

2.5.2. Tamaño de Partícula

El tamaño de partícula se estableció mediante el equipo CamSizer de Retsch Technology que

sirve para caracterizar de manera integral los materiales a granel secos y de flujo libre.

1. Secar la materia a utilizar hasta un nivel mínimo de humedad con el procedimiento

24

anterior.

2. Realizar una pequeña agitación para separar grumos presentes.

3. Encender el equipo de forma adecuada y limpiar los residuos previos.

4. Realizar el ensayo en conjunto con un técnico especializado en el equipo.

5. Registrar los datos obtenidos a través del software del equipo.

Nota: Este ensayo da mayor precisión que el análisis de tamiz tradicional, ya que analiza

imágenes de las partículas de la muestra contabilizándolas y realizando un estadístico de

respuesta.

2.5.3. Azúcares Reductores Totales

La cantidad de azúcares reductores totales presentes es importante para plantear el

rendimiento de la sacarificación realizada durante la hidrólisis. Para su determinación se usó

un método colorimétrico con reactivos como describe Almeida J, 2017 y Mettler Toledo,2019.

1. Se realiza una hidrólisis con ácido sulfúrico concentrado a 74% w/w.

1.1. Se usan 150 mg de RGCM y 2.5mL de H2SO4 74 %w/w.

1.2. La solución se pone a baño maría a 30°C durante 30 minutos.

1.3. Se diluye la solución hasta el 4% con agua tipo 2.

1.4. Se autoclava la solución a 121°C durante 60 minutos.

1.5. Se deja enfriar a T ambiente y se neutraliza.

2. El hidrolizado obtenido y neutralizado se diluye hasta 1° Brix.

3. 5 mL de solución Fehling A y 5mL de solución Fehling B son vertidos en un balón de

destilación de 250 mL. Se añade 40 mL de agua destilada y 4mL de la muestra

4. Se somete la muestra a calentamiento, y se deja a ebullición por 2 min. Se deja enfriar

hasta temperatura ambiente.

5. Se adiciona 10 mL de ácido sulfúrico al 10% y 10 mL de yoduro de potasio al 10%,

tapar la muestra.

6. Colocar la muestra en el equipo (Titulador Mettler Toledo) y determinar la cantidad

de azúcares reductores mediante titulación con la solución de tiosulfato de sodio.

7. Observar el cambio de potencial y e imprimir el resultado de la cantidad de azúcares

reductores.

25

2.5.4. Cantidad de Material Hemi-celulósico.

La cantidad de material hemi-celulósico es importante ya que sus entre sus polímeros se

encuentran monómeros de azúcares de 6 y 5 carbonos, por ende se puede estimar el

rendimiento de sacarificación de estos polímeros en azúcares reductores y no reductores.

Paredes en Julio del 2019 en su trabajo de titulación reporta el trabajo con residuos de granos

de café molido usado de cafeterías del DMQ, a las mismas condiciones, usando un ensayo en

el Analizador Termogravimétrico (TGA), expresando el contenido de hemicelulosa, celulosa

y lignina calculado mediante la degradación de la borra de café en un rango de temperaturas;

es decir el porcentaje de estos compuestos se cuantifica mediante la relación entre la diferencia

de masas que se registra en un intervalo de temperaturas recomendado respecto a la masa total

de la muestra.(Paredes & Montesdeoca, 2019)

Los resultados obtenidos del TGA se muestran en la Tabla 6 realizado por Paredes, 2019.

Tabla 6. Resultados del análisis termogravimétrico de la borra de café (Paredes, 2019)

Se hizo el promedio para la sumatoria de los porcentajes de celulosa y hemicelulosa y se

estimó el valor medio de 55.7% de contenido con dos cifras significativas, el cual será tomado

para los cálculos correspondientes.

26

2.6. Pruebas preliminares

Una prueba preliminar fue necesaria para estimar si el tiempo de residencia en el autoclave

afectaba el rendimiento del hidrolizado. Esto se realizó ya que no se pudo alcanzar la

temperatura óptima de 140 °C durante 60 min como se reporta en literatura.

1. Se realizaron 2 hidrólisis ácidas diluidas a 40 y 80 minutos de hidrólisis a Temperatura

de 124°C.

2. Se midieron los grados Brix antes y después de la hidrólisis.

3. Se compararon y analizaron los resultados obtenidos.

Al no haber una variación mayor de los grados Brix obtenidos (±0.2), se decidió trabajar a los

60 min recomendados en literatura.

2.7. Hidrólisis ácida diluida

El proceso de hidrólisis es necesario para la obtención de los monómeros de azúcares

presentes en la biomasa. Para disminución de costos y uso de reactivos se realiza una hidrólisis

ácida diluida en un rango de 1 a 5 % w/w de H2SO4. La hidrólisis se realiza siguiendo los

pasos:

1. Preparación de soluciones.

1.1. Se toma una solución de concentración conocida de H2SO4.

1.2. Se realizan los cálculos pertinentes para la dilución.

1.3. Se toma la cantidad calculada y se preparan soluciones al 1, 3 y 5 % w/w de H2SO4.

1.4. De igual forma se preparan soluciones 0.1, 0.5 y 1 M de NaOH.

2. Preparación de la Muestra.

2.1. Secado de la muestra.

2.2. Se pesa en una balanza analítica la cantidad de muestra a usar respecto a la relación

S/L, en este caso 1 y 2 [g/20mL de solución].

27

2.3. Se vierten las muestras y las soluciones en tubos de vidrio Pyrex de 60mL

autoclavables.

2.4. Se espera a que se asienten los sólidos y se miden los grados Brix de las muestras.

2.4.1. Se toma el refractómetro y se limpia el porta muestra.

2.4.2. Se toma el refractómetro y se mide el valor cero con agua tipo 2.

2.4.3. Se toma un poco de muestra, sin sólidos presentes, y se miden los grados Brix.

2.4.4. Se registran los datos de las muestras, se lava y seca el equipo.

Nota: Se verifica que no queden adheridas a la superficie del tubo residuos de materia.

3. Autoclavado.

3.1. Se verifica el estado del autoclave, limpieza, agua en reservorio, llaves de paso,

material metálico interno.

3.2. Se cierran las llaves de paso de agua y vapor, se conecta la manguera de vapor y se

llena el reservorio con agua tipo 2 hasta que indique el equipo.

3.3. Se ubican las muestras con un pequeño giro en las tapas, emulando una trampa de

vapor para regular la presión del recipiente y se cierra el autoclave.

3.4. Se hace un “Set” de Temperatura a 124°C (Máximo permisible) y 60 minutos.

3.5. A los minutos de alcanzar la temperatura, se abre la válvula de vapor para descargar

agua del sistema y estabilizar la presión a alrededor de 15 MPa.

3.6. Una vez estabilizado el sistema, se deja seguir su procedimiento normalmente.

3.7. Una vez acabado el ciclo de trabajo, se descarga el vapor y se espera a que la presión

disminuya a cero en el indicador y la temperatura descienda a entre 50 y 60 °C.

3.8. Se retiran las muestras, se cierran bien y se dejan enfriar a temperatura ambiente.

3.9. Se miden los grados Brix del hidrolizado.

2.8. Regulación de pH.

El pH se regula ya que el resultado de usar ácidos fuertes da un pH muy bajo, alrededor de

1.4, y se necesita un pH en el cual las levaduras puedan trabajar de forma correcta que es

alrededor de 5.2.

28

1. Se centrifugan las muestras a 3500 rpm durante 25 min

2. Se filtran las muestras con papel filtro.

3. Se calibra el potenciómetro con las soluciones Buffer según lo especifica el manual

del fabricante.

4. Se mide el pH de la solución con el potenciómetro, se calcula la cantidad de iones [H+]

y en base a las ecuaciones de pH y ácido-base se estima la cantidad de NaOH a usar.

5. Como el número de moles es pequeño, se usan las soluciones de NaOH ya preparadas

y pellets de NaOH anhidro en conjunto hasta llegar al pH de 5.2±0.1.

6. Se almacenan las soluciones en frío hasta la medición de °Brix y fermentación.

2.9. Fermentación Alcohólica.

La fermentación alcohólica con Saccharomyces Cerevisiae es de vital importancia y cuidado,

puesto que existen varias condiciones de trabajo que afectarían el desempeño de la

transformación de azúcares a etanol, que es el producto deseado.

1. Activación de Levadura.

1.1. Se usaron los datos dados por el fabricante y bibliografía.

1.2. Se usaron 17.5 g de levadura en 25 mL de agua y 4 g de azúcares.

1.3. Estos se activan con calentamiento a 30°C y agitación de 150 rpm.

1.4. Se mantiene la agitación y calentamiento por 2 minutos.

2. Inoculación.

2.1. Se calcula la cantidad de levadura a usar respecto a la relación de 1 g/L.

2.2. Se define la zona o lugar en el cual se realizará la fermentación y se lo acondiciona a

una temperatura de 30 ± 2 °C, preferiblemente sin radiación lumínica.

2.3. Se inocula el hidrolizado con la levadura activada.

3. Fermentación.

3.1. Se dejan los hidrolizados inoculados en la zona acondicionada.

3.2. Los envases deben estar sellados, en condición anaerobia.

29

3.3. De bibliografía se define dejarlos actuando durante 5 días.

3.4. Se revisa la carbonatación en los envases diariamente.

3.5. Pasado el tiempo se ponen a refrigeración hasta cuantificarlos por HPLC.

Nota: La carbonatación de la muestra se revisó de forma visual observando la cantidad de

espuma generada y las burbujas presentes en la solución.

2.10. HPLC Cromatografía líquida de alta eficacia.

La cromatografía líquida de alta eficacia separa las soluciones o mezclas líquidas en

componentes, varían según la columna que se use, dando su composición con mayor exactitud.

Es necesario manejar con cuidado su fase estacionaria no polar (La columna) y la fase móvil

o portador de la muestra, para evitar picos o contaminantes que alteren los resultados.

1. Preparación de Fase Móvil y arranque

1.1. Se prepara la fase móvil disolviendo 0.05g de EDTA en 1 L de agua tipo 1 en un balón

aforado de 1000mL.

1.2. Mediante una filtración al vacío con un filtro de 0.45 μm se eliminan impurezas de la

solución de EDTA.

1.3. Se le aplica un baño con ultrasonido durante 20-25 minutos para desgasificar la

solución.

1.4. Se coloca la solución desgasificada en el recipiente conectado al equipo, esto necesario

para poder iniciar el equipo.

1.5. Se retira la columna Sugar Pak de refrigeración (estado normal de almacenaje).

1.6. Se ubica la columna en el horno del equipo.

1.7. Se enciende el equipo y se espera corran las operaciones de arranque.

1.8. Se realizan operaciones definidas por el laboratorio en el manual de uso.

1.9. Se establece la temperatura del horno y del detector.

1.10. Se deja fluir la fase móvil hasta 0.5 mientras que la presión se estabilice alrededor de

los 600 Psi o 4.15 MPa.

30

2. Preparación de estándares de Etanol.

2.1. Se define una solución de Etanol de concentración conocida.

2.2. Se hacen los cálculos previos a la preparación de las diluciones.

2.3. Se preparan estándares de Etanol con agua tipo 1 para hacer una curva de calibración,

en un rango aproximado obtenido de bibliografía entre 0.5 y 4 %v/v.

2.4. Se absorben las soluciones con una jeringa de 3 mL y con un filtro de 0.45 μm se ponen

en viales nuevos y limpios.

2.5. Se almacenan en frío hasta tener listas las muestras.

3. Preparación de las muestras de hidrolizado.

3.1. Se retiran las muestras de refrigeración y se espera a que lleguen hasta temperatura

ambiente.

3.2. Las muestras se centrifugan en envases cerrados y sellados para evitar oxigenación.

3.3. Se absorben las soluciones con una jeringa de 3 mL y con un filtro de 0.45μm se ponen

en viales limpios.

3.4. Se almacenan en frío hasta tener listo el equipo.

4. Medición de Etanol en las muestras.

4.1. Se verifica el estado óptimo del equipo para la medición.

4.2. Se ingresan los viales en el carrusel teniendo en cuenta la numeración.

4.3. Se ingresa una lectura múltiple en el software del equipo.

4.4. Se corren dos estándares de distinta concentración por duplicado de prueba para ver

en que minuto se detecta el pico de etanol y definir el tiempo de corrida.

4.5. Ya que el pico dió en el minuto 14 aproximadamente, se definen 16 minutos de corrida.

4.6. Primero se ubican los estándares de menos a más concentrado para evitar

contaminación, estos con lecturas por triplicado y limpieza de la aguja de 3 minutos después

de cada corrida.

4.7. Luego de los estándares se ubican las muestras, con una réplica preferiblemente, con

el mismo protocolo de medición.

4.8. Se define un protocolo de apagado post medición.

4.9. Se registran los datos de software y se obtienen los resultados de la curva de calibración

31

y el contenido de Etanol de las muestras en la unidad de concentración establecida, en el

presente caso porcentaje de volumen de bioetanol en la solución (% v/v).

2.11. Destilación.

La Destilación es una operación de separación, en este caso se separa el etanol presente en las

soluciones y así se mide su composición, esto para corroborar lo medidi en el HPLC.

2.11.1. Armar el equipo de destilación.

2.11.2. Poner en calentamiento la solución hasta una Temperatura alrededor de los 70 °C.

2.11.3. Destilar la solución hasta quitar todo el alcohol.

2.11.4. Medir el volumen de destilado.

2.11.5. Determinar el porcentaje volumen (% v/v) mediante el Densito (Handheld Density

Meter).

32

3. DATOS EXPERIMENTALES

3.1. Datos de los residuos de café molido usado obtenidos de la cafetería Coffee Belt

del DMQ.

En la Tabla 7 se muestran los datos de RGCM de la Cafetería Coffee Belt. La tabla describe

los pesos usados en el proceso antes y después de la extracción en la cafetera.

Tabla 7. Datos de RGCM de la cafetería Coffee Belt y cafetera umco de Laboratorio.

Número de

muestras de

RGCM

Peso inicial de

muestra pre-

extracción , g

Peso total

inicial de

muestras pre-

extracción, g

Peso seco de

muestras post-

extracción, g

4 20 80 46.59

1 10 10 5.71

1 40 40 23.57

1 60 60 35.11

3.2. Datos de la humedad.

En la tabla 8 se muestran los datos obtenidos para el cálculo del porcentaje de humedad en la

muestra.

Tabla 8. Datos de la medición de humedad de la muestra

Muestra

De RGCM

Peso de

muestra

húmeda, g

Peso final de

muestra, g

1 102.81 46.59

3.3. Datos de los azúcares reductores totales (ART).

En la tabla 10 se resumen los datos de azúcares reductores totales obtenidos mediante

análisis colorimétrico con el titulador electrónico de Mettler Toledo.

33

Tabla 9. Datos de la determinación de azúcares totales.

Muestra Peso

muestra,

g

Volumen

hidrolizado,

mL

Volumen

hidrolizado

autoclavado

y

neutralizado,

mL

Volumen

muestra

a 1 °

Brix, mL

azúcares

reductores

g/L

1

0.150 52 36 4 0.356

0.150 52 36 4 0.358

0.150 52 36 4 0.376

2

0.150 52 32 4 0.534

0.150 52 32 4 0.490

0.150 52 32 4 0.518

3.4. Datos de los grados Brix obtenidos (°Bx).

En la tabla 11, 12, 13 y 14 se resumen los valores de °Bx obtenidos en distintos puntos de

medición en el proceso.

Tabla 10. Grados Brix obtenidos en la prueba preliminar

Muestra Concentración

solución %w/w

°Bx 40 min

autoclave

°Bx 80 min

autoclave

1 1 3.9 4

2 3 4.4 4.2

3 5 5 5.1

Tabla 11. Grados Brix obtenidos en la hidrólisis acida diluida.

Relación S/L [g/20ml

solución]

Concentración solución

%w/w °Bx

1

1 4.2

3.8

3 3.8

4.4

5 5

4.8

2

1 6.1

5.8

3 4.8

5

5 6

5.9

34

Tabla 12. Grados Brix obtenidos post Fermentación

Relación S/L [g/20mL

solución]

Concentración solución

%w/w °Bx post fermentación

1

1 1.8

1.6

3 2

2.3

5 2.2

2.7

2

1 2.4

2.2

3 2.5

2.7

5 3

3.1

Tabla 13. Grados Brix obtenidos después de la Hidrólisis ácida concentrada.

Muestra °Bx

1 10.8

2 11.2

3.5. Datos de pH de las soluciones de Hidrolizado de RGCM.

En la tabla 15 y 16 se resume el cambio de pH de las soluciones de Hidrólisis ácida diluida

de RGCM en a través de las principales etapas del proceso.

Tabla 14. Valores de pH de las soluciones de Hidrolizado.

Muestra pH del

Hidrolizado

pH final pre-

fermentación.

1-1 1.47 5.15

1-2 1.42 5.38

3-1 1.37 5.25

3-2 1.33 5.21

5-1 1.28 5.30

5-2 1.21 5.24

1-1 R 1.46 5.28

1-2 R 1.41 5.20

3-1 R 1.31 5.23

3-2 R 1.30 5.26

5-1 R 1.23 5.21

5-2 R 1.19 5.19

R= Réplica de la solución.

35

Tabla 15. Valores de pH después de la fermentación.

Muestra pH

1-1 4.45

1-2 4.39

3-1 4.48

3-2 4.33

5-1 4.37

5-2 4.42

1-1 R 4.4

1-2 R 4.52

3-1 R 4.35

3-2 R 4.38

5-1 R 4.44


3.6. Datos de la hidrólisis ácida diluida.

En la tabla 17 se muestran los valores del volumen de la solución de hidrolizado antes y

después de la hidrólisis en el autoclave. En la tabla 18 se muestran los valores del peso de los

RGCM antes y después del hidrolizado en el autoclave.

Tabla 16. Datos del volumen de la solución del hidrolizado antes y después de la hidrólisis

ácida diluida.

Muestra Peso de

RGCM, g

Volumen

inicial pre-

hidrólisis,

mL

Volumen

post-

hidrólisis,

mL

1-1 1 20 15.7

1-2 2 20 16

3-1 1 20 16.5

3-2 2 20 16.5

5-1 1 20 17

5-2 2 20 17.5

1-1 R 1 20 15.25

1-2 R 2 20 14.9

3-1 R 1 20 16.5

3-2 R 2 20 16.5

5-1 R 1 20 17

5-2 R 2 20 15.9


36

Tabla 17. Datos de los pesos de los residuos, filtrados y secos, de la hidrólisis ácida diluida.

Muestra

Peso del

papel

filtro, g

Peso del

papel filtro

y la muestra

seca, g

Peso de

residuo seco,

g.

1-1 3.012 3.384 0.3724

1-2 3.611 4.533 0.9238

3-1 3.518 3.823 0.3046

3-2 2.762 3.641 0.8784

5-1 2.977 3.275 0.2978

5-2 2.919 3.771 0.8524

1-1 R 3.134 3.491 0.3564

1-2 R 2.871 3.789 0.9176

3-1 R 4.213 4.509 0.2960

3-2 R 3.016 3.891 0.8750

5-1 R 2.832 3.125 0.2929

5-2 R 3.541 4.431 0.8894


3.7. Datos obtenidos durante la fermentación del hidrolizado.

En la tabla 19 se dan los datos del volumen final del fermentado después de la filtración de

los residuos de levadura, en la tabla 20 se dan los valores de temperatura en periodos de tiempo

de la fermentación y en la tabla 21 los datos de los pesos de los residuos de levadura filtrados.

Tabla 18. Datos de volumen final del hidrolizado fermentado.

Muestra

Volumen

final de

fermentado,

mL.

1-1 14

1-2 15

3-1 16

3-2 17.5

5-1 16.5

5-2 17

1-1 R 15.5

1-2 R 15

3-1 R 16.5

3-2 R 16.5

5-1 R 17

5-2 R 16


37

Tabla 19. Datos de temperaturas de fermentación tomados en distintos periodos de tiempo.

Muestra tiempo, h T, °C

1 0 28.6

2 12 33.2

3 24 31.1

4 48 30.7

5 72 29.2

6 96 30.1

7 120 30.3

Tabla 20. Datos de los pesos de residuos de levadura luego de la fermentación.

Muestra

Peso de

levadura post

fermentación,

g.

1-1 0.38

1-2 0.6

3-1 0.32

3-2 0.49

5-1 0.37

5-2 0.55

1-1 R 0.44

1-2 R 0.51

3-1 R 0.3

3-2 R 0.47

5-1 R 0.4

5-2 R 0.45


3.8. Datos obtenidos de la destilación del hidrolizado fermentado.

En la tabla 22 se muestran los valores del volumen obtenido de la destilación del fermento del

hidrolizado.

38

Tabla 21. Datos experimentales del volumen obtenido de la destilación

Muestra

Volumen

destilado

final, mL.

1-1 12

1-2 12

3-1 14

3-2 14.5

5-1 13

5-2 14

1-1 R 11

1-2 R 13

3-1 R 14

3-2 R 13.5

5-1 R 14

5-2 R 14


3.9. Datos del porcentaje de bioetanol obtenidos mediante HPLC.

En la tabla 23 se muestra el porcentaje de volumen de Bioetanol obtenido durante la

fermentación mediante el equipo HPLC de Waters Alliance empleando una columna Sugar

Pak y solución de EDTA como fase móvil.

Tabla 22. Resultados del porcentaje de volumen de bioetanol obtenidos mediante HPLC.

Muestra Bioetanol

%v/v

1-1 0.772

1-2 1.530

3-1 0.415

3-2 1.143

5-1 0.662

5-2 1.459

1-1 R 1.104

1-2 R 1.216

3-1 R 0.684

3-2 R 1.210

5-1 R 0.707

5-2 R 0.981


39

3.10. Datos del porcentaje de bioetanol obtenidos con el equipo portable Densito

(density meter).

Las muestras obtenidas de la destilación son colocadas en el Densito (density meter) el cual

determina el porcentaje volumen de bioetanol en el destilado.

Tabla 23. Resultados del porcentaje volumen de bioetanol obtenidos mediante equipo

Densito (density meter).

Muestra Bioetanol

%v/v

1-1 1

1-2 1.7

3-1 0.7

3-2 1.3

5-1 0.9

5-2 1.6

1-1 R 1.3

1-2 R 1.5

3-1 R 0.9

3-2 R 1.4

5-1 R 0.9

5-2 R 1.2


40

4. CÁLCULOS Y RESULTADOS

4.1. CÁLCULOS.

En esta sección se detallan los cálculos realizados correspondientes a la caracterización

Fisicoquímica de los residuos de café molido usado y del proceso de obtención del bioetanol

mediante hidrólisis ácida diluida y fermentación alcohólica en el Distrito Metropolitano de

Quito (DMQ).

4.1.1. Caracterización de los residuos de café obtenidos de cafetería.

En esta parte se hacen cálculos de la determinación de contenido de humedad, cantidad de

azúcares reductores y de la cantidad de café residual de la cafetera.

4.1.1.1. Contenido de humedad de los RGCM después de la extracción de café en

el filtro de la cafetera.

Luego de la extracción del café en la cafetera, los RGCM poseen un alto contenido de

humedad, siendo calculado mediante la siguiente ecuación.

%𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 =𝑚2−𝑚3

𝑚2−𝑚1∗ 100 (1)

m1: masa de recipiente seco.

m2: masa de bandeja y muestra húmeda.

m3: masa de bandeja y muestra seca.

%𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 =185.45 − 129.23

185.45 − 82.64∗ 100

%𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = 54.68%

4.1.1.2. Rendimiento de la cantidad de RGCM de cafetería.

El rendimiento de los residuos de granos de café molido de la cafetera es de suma importancia,

41

ya que da la relación de cantidad de RGCM que se obtienen al preparar el café por extracción,

como se observa en la figura 6.

%RGCM =𝑚1

𝑚2∗𝑛∗ 100 (2)

m1: masa de muestra total seca post-extracción.

m2: masa de muestra pre-extracción.

n: número de muestras

%RGCM =46.59

20 ∗ 4∗ 100

%RGCM = 58.24%

Se observa que alrededor del 42% del café molido se solubiliza.

4.1.1.3. Cálculo de la cantidad de azúcares reductores totales.

Se determinaron los azúcares reductores totales de una muestra diluida a 1 °Brix multiplicando

por los °Brix reales de la muestra para obtener los azúcares totales (ART), esto para una

muestra de 150mg de RGCM.

𝐴𝑅𝑇 = 𝐴𝑅𝑚 ∗ °𝐵𝑥 (3)

Dónde:

ART= Cantidad de azúcares presentes en la muestra.

ARm= Azúcares medidos a una dilución de 1°Brix.

°Bx= Grados Brix de la muestra sacarificada.

𝐴𝑅𝑇 = 0.356𝑔/𝐿 ∗ 11.2

𝐴𝑅𝑇 = 4.0584 𝑔/𝐿

42

4.1.2. Hidrólisis ácida de los RGCM.

A continuación se muestran los cálculos a partir de los datos obtenidos de la hidrólisis ácida

diluida.

4.1.2.1. Cálculos de pruebas preliminares.

Se realizó un análisis de la desviación estándar de los grados Brix obtenidos a 40 y 80 minutos

de hidrolizado en el autoclave.

Media:

= ∑𝑥𝑖∗𝑓

N (4)

xi: Muestra i (Grados Brix)

f: frecuencia

N: Numero de muestras.

=3.9 ∗ 1 + 4 ∗ 1

2

= 3.95

Desviación estándar.

𝑆 = √∑(𝑥− )2

𝑁

2

(5)

x: Muestra i (Grados Brix)

: Media

N: Número de muestras.

𝑆 = √(3.9 − 3.95)2 + (4 − 3.95)2

2

2

𝑆 = 0.070

El valor de desviación de los grados brix no es significativo, por lo que se decide trabajar por

60 minutos en el autoclave.

43

4.1.2.2. Rendimiento hidrólisis.

Se muestra el porcentaje de hidrólisis de los RGCM respecto a la masa inicial (%Hrgcm)

%𝐻𝑟𝑔𝑐𝑚 =𝑚1

𝑚2∗ 100 (6)

m1: masa de residuos de la hidrólisis.

m2: masa RGCM inicial de hidrólisis.

%𝐻𝑟𝑔𝑐𝑚 =0.6276

1∗ 100

%𝐻𝑟𝑔𝑐𝑚 = 62.76%

4.1.2.3. Cálculo de la cantidad de azúcares obtenidos después de la Hidrólisis

ácida diluida.

La cantidad de azúcares obtenidos después de la hidrólisis se obtuvo relacionando la masa de

etanol y la relación molar de la glucosa y el etanol, esto presenciando una fermentación

completa.

𝐴𝑅 𝑔 =𝑚1∗𝑀2

𝑀1∗ (

1 𝑚𝑜𝑙 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎

2 𝑚𝑜𝑙 𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙) (7)

m1: masa de etanol.

M1: Peso molar del etanol.

M2: Peso molar de la glucosa.

𝐴𝑅𝑔 =0.085𝑔 ∗ 1𝑚𝑜𝑙 𝑔𝑙 ∗ 180

𝑔𝑚𝑜𝑙

𝑔𝑙

46𝑔𝑚𝑜𝑙

𝑒𝑡 ∗ 2𝑚𝑜𝑙 𝑒𝑡

𝐴𝑅 = 0.167 𝑔

4.1.2.4. Cálculo de la cantidad de azúcares por litro de hidrolizado.

Se toma la cantidad de azúcares calculado en el ítem anterior y el volumen del hidrolizado.

𝐴𝑅𝑔

𝐿=

𝑚1

𝑉ℎ (8)

m1: Cantidad de azúcares obtenidos después de la hidrólisis.

44

Vh: Volumen del hidrolizado.

𝐴𝑅𝑔

𝐿=

0.167 𝑔

0.01617 𝐿

𝐴𝑅𝑔

𝐿= 10.33

𝑔

𝐿

4.1.2.5. Cálculo de la cantidad de materia hemicelulósica.

Se calcula la cantidad de materia hemicelulósica en g/L usando la masa inicial de RGCM, el

porcentaje de material hemi-celulósico y el volumen inicial de la hidrólisis.

𝐻𝑚,𝑔

𝐿=

𝑚1∗𝑥𝑀𝐻

𝑉ℎ𝑜 (9)

m1: Masa de RGCM.

Vho: Volumen inicial de la hidrólisis.

xMH: Fracción de materia hemicelulósica.

𝐻𝑚,𝑔

𝐿=

1 𝑔 𝑅𝐺𝐶𝑀 ∗ 0.557

0.02 𝐿

𝐻𝑚,𝑔

𝐿= 27.85

𝑔

𝐿

4.1.2.6. Rendimiento de los azúcares obtenidos mediante la hidrólisis ácida

diluida.

Se calculó el rendimiento de los azúcares obtenidos en el proceso y los azúcares teóricos

.

%𝐴𝑅ℎ =𝑚1

𝑚2∗ 100 (10)

m1: masa de azúcares reductores obtenidos.

m2: masa de materia hemicelulósica.

%𝐴𝑅ℎ =10.33 𝑔/𝐿

27.85 𝑔/𝐿∗ 100

%𝐴𝑅ℎ = 37.1%

45

4.1.3. Fermentación.

Se realizaron los cálculos necesarios respecto a la fermentación que se describen en los

siguientes ítems.

4.1.3.1. Cantidad de Levadura para el proceso.

Se usó una relación de 1 g/L de levadura con respecto a la cantidad de solución sacarificada

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎𝑠 = 1𝑔

𝐿∗ 𝑉 (11)

V: Volumen de la solución hidrolizada y neutralizada en Litros.

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎𝑠 = 1𝑔

𝐿∗ 0.01617𝐿

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎𝑠 = 0.0162𝑔

4.1.3.2. Crecimiento de Levaduras.

%𝐶𝑟𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 =𝑚1

𝑚2∗ 100 (12)

m1: masa de levaduras post fermentación

m2: masa de levadura pre fermentación

%𝐶𝑟𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 =0.19𝑔

0.0162𝑔∗ 100

%𝐶𝑟𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 = 1175%

4.1.4. Destilación Simple.

Se realizaron los cálculos correspondientes al proceso de destilación simple.

4.1.4.1. Volumen de Etanol.

Para realizar el cálculo del volumen de etanol se usó el porcentaje de alcohol en la solución y

el volumen final de la destilación.

46

𝑉𝐸𝑡𝑂𝐻 = %𝑣

𝑣∗ 𝑉 (13)

%v/v: Porcentaje volumen medido por con el Densito (Density meter MT).

V: Volumen de destilado.

𝑉𝐸𝑡𝑂𝐻 = 1.7% ∗ 15𝑚𝑙

𝑉𝐸𝑡𝑂𝐻 = 0.204 𝑚𝑙 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

4.1.4.2. Masa de etanol obtenido.

Se determina con las densidades de las soluciones y el volumen de etanol.

𝑚𝐸𝑡𝑂𝐻 = 𝑉𝑒𝑡 ∗ 𝜌 (14)

VEtoh: Volumen de etanol

ρ: Densidad del etanol.

𝑚𝐸𝑡𝑂𝐻 = 0.204𝑚𝑙 ∗0.79𝑔

𝑚𝑙

𝑚𝐸𝑡𝑂𝐻 = 0.16116 𝑔 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

4.1.4.3. Rendimiento destilación.

Para el rendimiento de la destilación se utilizó datos de volúmenes inicial y final.

%𝐷𝑠𝑡. =𝑉1

𝑉2∗ 100 (15)

V1: Volumen post destilación.

V2: Volumen antes de destilar.

%𝐷𝑠𝑡. =12𝑚𝑙

14𝑚𝑙∗ 100

%𝐷𝑠𝑡. = 85.71

47

4.1.5. Cálculo del rendimiento del Bioetanol obtenido.

Para calcular el rendimiento del bioetanol obtenido se usa la cantidad másica de bioetanol y

la cantidad másica de los RGCM usado inicialmente.

%EtOH =𝑚1

𝑚2∗ 100 (16)

m1: masa de bioetanol obtenido.

m2: masa de RGCM del proceso.

%EtOH =0.085 𝑔 𝐸𝑡𝑂𝐻

1 𝑔 𝑅𝐺𝐶𝑀∗ 100

%EtOH = 8.54%

4.1.5.1. Rendimiento de Bioetanol en Litros de Etanol por Kilogramo de RGCM.

EtOH (𝐿

𝑘𝑔) =

𝑚1

𝑚2∗𝜌 (17)

m1: masa de bioetanol obtenido en kg.

m2: masa de RGCM del proceso en kg.

ρ: Densidad del Etanol en kg/L.

EtOH (𝐿 𝐸𝑡𝑂𝐻

𝑘𝑔 𝑅𝐺𝐶𝑀) =

0.000135 𝑘𝑔 𝐸𝑡𝑂𝐻

0.001 𝑘𝑔 𝑅𝐺𝐶𝑀 ∗ 0.79𝑘𝑔𝐿

EtOH (𝐿 𝐸𝑡𝑂𝐻

𝑘𝑔 𝑅𝐺𝐶𝑀) = 0.171

𝐿 𝐸𝑡𝑂𝐻

𝑘𝑔 𝑅𝐺𝐶𝑀

48

4.2.RESULTADOS.

4.2.1. Caracterización de los residuos de café molido usado.

Se muestran los resultados de la caracterización de los residuos de granos de café molido.

4.2.1.1. Contenido de humedad de los RGCM después de la extracción de café en

el filtro de la cafetera.

Luego de la extracción del café en la cafetera, los RGCM presentan un alto contenido de

humedad como se indica en la tabla 25.

Tabla 24. Contenido de Humedad

Muestra % Humedad

1 54.68

4.2.1.2. Rendimiento de la cantidad de los RGCM de cafetería.

El rendimiento de los RGCM es de importancia, porque indica la cantidad de café residual

que es desechado, el cual es usado de materia prima para el proceso realizado, como se indica

en la tabla 26.

Tabla 25. Rendimiento de RGCM obtenidos.

Muestra Peso inicial, g Peso final, g % Rendimiento

1 80 46.59 58.24

1 10 5.71 57.1

1 40 23.57 58.92

1 60 35.11 58.51

Media 190 110.98 58.41

49

4.2.1.3. Resultados de la cantidad de azúcares reductores totales.

El material hemi-celulósico de los RGCM se transforma en azúcares mediante hidrólisis ácida.

Tabla 26. Azúcares reductores totales

Muestra Azúcares

reductores g/L

Valor medio de

AR, g/L

AR totales por

gramo de

RGCM, g/L

1 (0.15 g)

3.987

4.809 32.027

4.010

4.211

2 (0.15 g)

5.767

5.292

5.594

4.2.1.4. Resultados del tamaño de partícula.

En la tabla 9, se presentan los resultados obtenidos de los tamaños de partícula resultantes de

la molienda de los granos de Café, con el equipo Cam Sizer de Retsch Technology, dando

valores promedios de 0.5-0.7 mm.

Tabla 27 Resultados obtenidos del equipo CamSizer.

Clase de tamaño [mm] p3 [%] SPHT3 Symm3 b/l3 PDN

0.0000 0.1667 1.60 0.800 0.836 0.705 65967

0.1667 0.3333 9.91 0.724 0.825 0.674 38477

0.3333 0.5000 18.73 0.656 0.805 0.669 17163

0.5000 0.6667 13.27 0.532 0.760 0.636 4477

0.6667 0.8333 9.27 0.445 0.720 0.607 1398

0.8333 1.0000 6.31 0.476 0.714 0.623 502

1.0000 1.1667 6.10 0.436 0.727 0.616 306

1.1667 1.3333 4.36 0.510 0.746 0.656 141

1.3333 1.5000 3.97 0.524 0.759 0.670 93

1.5000 1.6667 3.59 0.470 0.746 0.646 54

1.6667 1.8333 2.99 0.464 0.755 0.640 35

1.8333 2.0000 2.61 0.449 0.762 0.626 24

> 2.0000 17.29 0.322 0.709 0.593 69

Valor medio SPHT3 = 0.517 mm Valor medio b/l3 = 0.637 mm

Valor medio Symm3 = 0.757 mm

50

4.2.2. Resultados de la hidrólisis ácida diluida.

Se muestran los resultados de los cálculos correspondientes a la Hidrólisis ácida diluida.

4.2.2.1. Pruebas preliminares.

Se muestra el resultado de la desviación de estándar de los valores de los grados Brix

obtenidos.

Tabla 28. Desviación de los grados Brix de pruebas preliminares.

Muestra

Concentración

solución

%w/w

°Brix 40

min

autoclave

°Brix 80

min

autoclave

Desviación

estándar

de las

muestras

1 1 3.9 4 0.070

2 3 4.4 4.2 0.141

3 5 5 5.1 0.070

4.2.2.2. Rendimiento de la Hidrólisis ácida diluida.

Se muestra el rendimiento de la hidrólisis ácida diluida respecto a la masa inicial y los

residuos.

Tabla 29. Rendimiento de RGCM hidrolizados.

Muestra

%

Rendimiento

Hidrólisis.

1-1 62.76

1-2 53.81

3-1 69.54

3-2 56.08

5-1 70.22

5-2 57.38

1-1 R 64.36

1-2 R 54.12

3-1 R 70.40

3-2 R 56.25

5-1 R 70.71

5-2 R 55.53


51

4.2.2.3. Resultados de la cantidad de azúcares obtenidos después de la Hidrólisis

ácida diluida.

Tabla 30. Azúcares reductores post hidrólisis ácida diluida.

Muestra AR g/L

1-1 10.33

1-2 21.11

3-1 5.92

3-2 17.85

5-1 9.46

5-2 20.86

1-1 R 16.52

1-2 R 18.01

3-1 R 10.07

3-2 R 17.81

5-1 R 10.41

5-2 R 14.53


4.2.2.4. Rendimiento de los azúcares obtenidos mediante la hidrólisis ácida

diluida.

Los resultados del rendimiento del material hemi-celulósico a azúcares

Tabla 31. Rendimiento de AR obtenidos de la Hidrólisis acida diluida.

Muestra

%

Rendimiento

de hidrólisis

1-1 37.10

1-2 37.91

3-1 21.27

3-2 32.04

5-1 33.96

5-2 37.46

1-1 R 59.31

1-2 R 32.34

3-1 R 36.16

3-2 R 30.21

5-1 R 37.37

5-2 R 26.09


52

4.2.3. Fermentación.

Se presentan los resultados de los cálculos respectos a la fermentación.

4.2.3.1. Cantidad de Levadura para el proceso.

Se usó una relación de 1 g/l de levadura con respecto a la cantidad de solución sacarificada

Tabla 32. Levadura para el proceso.

Muestra Peso

Levadura, g

1-1 0.016

1-2 0.017

3-1 0.017

3-2 0.017

5-1 0.018

5-2 0.018

1-1 R 0.016

1-2 R 0.016

3-1 R 0.017

3-2 R 0.017

5-1 R 0.018

5-2 R 0.017


4.2.3.2. Crecimiento de la levadura.

Para el rendimiento de la fermentación se utilizó los datos de la muestra que se procesó en la

hidrólisis y el producto final resultante de la fermentación.

Tabla 33. Crecimiento de la masa de Levadura durante el proceso.

Muestra

%

crecimiento

de levadura.

1-1 1175

1-2 1786

3-1 924

3-2 1414

5-1 1036

5-2 1497

1-1 R 1374

1-2 R 1630

3-1 R 866

3-2 R 1356

5-1 R 1120

5-2 R 1348


53

4.2.3.3. Cantidad de Bioetanol obtenido mediante Cromatógrafo HPLC.

Para obtener el porcentaje de alcohol se utilizó los resultados dados por el cromatógrafo y la

densidad del etanol.

Tabla 34. Cantidad de Bioetanol obtenida mediante HPLC.

Muestra etanol, g/L

1-1 6.10

1-2 12.09

3-1 3.28

3-2 9.03

5-1 5.23

5-2 11.53

1-1 R 8.72

1-2 R 9.60

3-1 R 5.40

3-2 R 9.03

5-1 R 5.59

5-2 R 7.75


4.2.4. Destilación Simple.

4.2.4.1. Volumen de Bioetanol.

Resultado del volumen de Bioetanol obtenido por destilación.

Tabla 35. Volumen de Bioetanol por destilación.

Muestra Bioetanol,

mL

Bioetanol

Densito, mL

1-1 0.11 0.12

1-2 0.23 0.204

3-1 0.07 0.098

3-2 0.20 0.188

5-1 0.11 0.117

5-2 0.25 0.224

1-1 R 0.17 0.143

1-2 R 0.18 0.195

3-1 R 0.11 0.126

3-2 R 0.20 0.189

5-1 R 0.12 0.126

5-2 R 0.16 0.168


54

4.2.4.2. Masa de Bioetanol obtenido.

Para obtener la masa de Bioetanol se usaron las densidades del etanol y agua a 20°C y los

datos de las soluciones.

Tabla 36. Masa de Bioetanol obtenido

Muestra Bioetanol, g Bioetanol

Densito, g

1-1 0.085 0.094

1-2 0.181 0.161

3-1 0.052 0.077

3-2 0.158 0.148

5-1 0.086 0.092

5-2 0.196 0.176

1-1 R 0.135 0.112

1-2 R 0.144 0.154

3-1 R 0.089 0.099

3-2 R 0.158 0.149

5-1 R 0.095 0.099

5-2 R 0.124 0.132


4.2.4.3. Rendimiento destilación

Para el rendimiento de la destilación se utilizó datos de los volúmenes inicial y final.

Tabla 37. Rendimiento de la Destilación.

Muestra

%

Rendimiento

Destilación.

1-1 85.71

1-2 80.00

3-1 87.50

3-2 82.86

5-1 78.79

5-2 82.35

1-1 R 70.97

1-2 R 86.67

3-1 R 84.85

3-2 R 81.82

5-1 R 82.35

5-2 R 87.50


55

4.2.5. Análisis estadístico

Para analizar los resultados, se utilizó el programa Excel y el programa STATGRAPHICS,

donde se obtiene la distribución F, y el análisis de la variabilidad que se observó se realiza

comparando varianzas.

Se probará estadísticamente si los factores, concentración de ácido y relación S/L, influyen

de forma directa en la obtención de Bioetanol.

Tabla 38. Datos del diseño estadístico.

Concentración de ácido

Muestra 1%w 3%w 5 % w

Relación

S/L

1 g/20ml 0.938 0.549 0.684 %

volumen

de

Bioetanol

obtenido 2 g/20ml 1.368 1.176 1.220

4.2.5.1. Análisis de Varianza en STATGRAPHICS

Tabla 39. Análisis de varianza para Bioetanol %v/v - Suma de Cuadrados Tipo III

Fuente Suma de

Cuadrados Gl

Cuadrado

Medio

Razón-

F Valor-P

EFECTOS PRINCIPALES

A:Concentración ácido %w 0.179 2 0.089 2.09 0.2048

B:Relación S/L 0.850 1 0.850 19.78 0.0043

INTERACCIONES

AB 0.018 2 0.009 0.21 0.8129

RESIDUOS 0.258 6 0.043

TOTAL (CORREGIDO) 1.306 11

56

Figura 9. Dispersión por código de Nivel del ANOVA.

Figura 10. Gráfico ANOVA de la Obtención de Bioetanol

Dispersión por Código de Nivel

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Bio

eta

no

l %

v/v

Concentración ácido %w

1%w 3%w 5%w

ANOVA Gráfico para Bioetanol %v/v

-0.75 -0.45 -0.15 0.15 0.45 0.75

Residuos

Concentración ácido %w P = 0.20483%w 5%w 1%w

Relación S/L P = 0.00431g/20mL 2g/20mL

57

Figura 11. Gráfico de Interacciones de los Factores en el ANOVA.

4.2.6. Rendimiento de la Obtención de Bioetanol de RGCM en el DMQ.

Para el rendimiento del proceso de obtención de bioetanol de RGCM se usaron los valores

de porcentaje volumen de Bioetanol obtenidos mediante HPLC, los valores del Densito se

usaron para corroborar lo obtenido.

Gráfico de Interacciones

Concentración ácido %w

0.54

0.74

0.94

1.14

1.34

1.54

Bio

eta

no

l %

v/v

1%w 3%w 5%w

Relación S/L1g/20mL2g/20mL

58

Tabla 40. Rendimiento de la obtención de Bioetanol de RGCM.

Muestra RGCM, g Bioetanol

%v/v

Gramo de

Bioetanol

/gramo de

RCGM

Rendimiento

%

Rendimiento

(L EtOH/ kg

RGCM)

1-1 1 0.772 0.0853832 8.5% 0.108

1-2 2 1.530 0.0906525 9.1% 0.057

3-1 1 0.415 0.052456 5.2% 0.066

3-2 2 1.143 0.07900988 7.9% 0.050

5-1 1 0.662 0.0862917 8.6% 0.109

5-2 2 1.459 0.09797185 9.8% 0.062

1-1 R 1 1.104 0.1351848 13.5% 0.171

1-2 R 2 1.216 0.0720243 7.2% 0.046

3-1 R 1 0.684 0.08917244 8.9% 0.113

3-2 R 2 1.210 0.07886175 7.9% 0.050

5-1 R 1 0.707 0.0949501 9.5% 0.120

5-2 R 2 0.981 0.0619992 6.2% 0.039


59

5. DISCUSION

Los valores de porcentaje de humedad alrededor del 54.68% de la tabla 25 obtenido

en el literal 4.1.1.1 se encuentra dentro de los rangos de literatura de entre el 50 al

80 %w, esto es un factor importante a saber ya que da la pauta para un correcto

desarrollo del pretratamiento de la muestra de RGCM para realizar el secado y

evitar la proliferación de microorganismos que afecten de forma negativa la materia

prima para la obtención del bioetanol.

Se observó que la temperatura dentro del autoclave a la cual se llevó a cabo la

hidrólisis ácida diluida no pudo superar los 124 °C por problemas técnicos del

equipo lo cual afecta directamente el rendimiento del proceso, ya que la temperatura

óptima reportada es de 140 °C, lo que generó una disminución de la eficiencia de

la sacarificación de los RGCM dando como resultado una menor cantidad de

bioetanol obtenido en comparación lo reportado en literatura.

Los valores obtenidos de porcentaje volumen de etanol mediante HPLC con una

columna Sugar Pak dio un rango de concentraciones de entre el 0.77 y 1.53 %v

como se observa en la tabla 40, con una media del 0.99 %v observado en el anexo

B de los resultados medidos en el HPLC, se realizó una confirmación de los valores

obtenidos mediante el equipo Densito, dando valores entre 0.9 y 1.7 %v como se

observa en la tabla 24 , esto nos da la confirmación del rango de porcentaje de etanol

obtenido con una variabilidad de ± 0.2%v aproximadamente. De las dos técnicas

empleadas, la que dio resultados con mayor exactitud y confiabilidad es el HPLC,

por lo que se tomaron los valores del mismo para los cálculos correspondientes de

cantidad obtenida y rendimiento del proceso.

En la granulometría de los RGCM por el método de imágenes del CamSizer, con

una media de 0.67 mm se observó una dispersión porcentual alta de los valores

60

como se puede observar en la tabla 9 y el anexo A, esto puede ser causado por la

presencia de lípidos presentes en las muestras generando la aparición de grumos los

cuáles traen como consecuencia el aumento del tamaño medido de las partículas,

generando una desviación de los valores medidos.

En condiciones normales del proceso de fermentación se observó un burbujeo bajo

de CO2 inicialmente, por lo que se procedió a aplicar una fuente calórica a

temperaturas cercanas a 30 °C, como se observa en la tabla 20. Existe una variación

de los valores de etanol obtenidos entre las muestras y sus réplicas, como se observa

en las tablas 22 y 40, siendo menor el de las muestras a 1 g/20 mL, debido a un fallo

técnico con la bomba de calor durante los primeros dos días de fermentación de la

muestra 1, pero al obtener de igual forma bioetanol se tomaron en cuenta los valores

obtenidos para cálculos y resultados.

La concentración de ácido diluido es un factor determinante en la producción de

bioetanol en el DQM por lo que se estableció mejores resultados de %v de bioetanol

a 1 %w de ácido diluido, esto comparando con lo reportado en investigaciones

establece una condición ideal al 3.5%w con un 3.9 %v de bioetanol. En este trabajo

se observó una mejor condición de operación empleando la concentración de ácido

diluido de 1%w con 1.53%v de bioetanol obtenido, lo que ahorra el contenido de

ácido y base.

La tabla 40 resume el resultado de la obtención de bioetanol de las 12 muestras

tratadas, obteniendo un rango de rendimientos entre (5.2 y 13.5 g de EtOH/g

RGCM), siendo la muestra 1-1R la que dió mayor rendimiento, con una

concentración 1% w de H2SO4 y 1 g/20mL solución, y la que mayor cantidad de

bioetanol produjo fue la muestra 1-2 con 1.53 %v de bioetanol, con 1% w de H2SO4

y 2 g/20mL solución, con un rendimiento de 9.1 g de EtOH/g RGCM.

Para el desarrollo del ANOVA se tomó el valor medio del %v/v de bioetanol

obtenido entre la muestra y su réplica, como indica la tabla 38, a pesar de la

desviación de los valores de %v/v, la figura 9 indica que siguieron un

61

comportamiento similar respecto a sus variables independientes, con valores

menores a 3 %w de concentración, se observa una tendencia de crecimiento a 5 %w

pero es menor a la tendencia de crecimiento a 1 %w, que por condiciones de ahorro

de reactivos es considerado el punto adecuado de trabajo, además de haber obtenido

mayor rendimiento a esa concentración de ácido diluido, mencionado en el literal

anterior.

62

6. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos en el trabajo de investigación demuestran la factibilidad

de realizar el proceso para la obtención de bioetanol de segunda generación, en el

DMQ, a partir de la hidrólisis ácida diluida y fermentación alcohólica de residuos

de granos de café molido usado. Se obtuvo bioetanol en un rendimiento entre el 5%

y 13.5 % de conversión de RGCM a Bioetanol, con un promedio en solución de

0.99 % v/v medido mediante HPLC.

Se caracterizaron los RGCM estableciendo que la cantidad de RCGM que se retiran

de cafetera representan el 58.41% del café usado en el proceso de preparación de

una taza de café, con un contenido alrededor del 55.7% de material hemi-

celulósico, Por otro lado, la humedad medida mediante el método realizado fue de

54.68% y la granulometría es esférica con un promedio de 0.637 mm.

El análisis de varianzas reveló que la concentración de ácido diluido de 1 %w de

H2SO4 y una relación S/L de 2 g de RGCM por cada 20mL de solución, dio el mejor

resultado en la cantidad de bioetanol producido con 1.53 %v/v, demostrando que la

variación del %w de ácido en condiciones diluidas menores al 5 y 3 %w tiene poca

influencia en el proceso.

El valor-P para la relación S/L es menor que 0.05, lo que indica que tiene un efecto

estadísticamente significativo sobre el %v/v de Bioetanol con un 95.0% de nivel de

confianza.

El rendimiento máximo de la obtención de bioetanol fue de 0.135 gramos de etanol

por cada gramo de RGCM y el mínimo de 0.052 gramos de etanol por cada gramo

de RGCM, al ser comparado con el de la caña de azúcar de 0.068 gramos de etanol

por cada gramo de caña de azúcar cultivada (Malagón, Simposio de Química

aplicada SIQUIA 2009), se determina que los RGCM poseen un rendimiento

63

considerable ya que los residuos de hidrolizado se pueden re-hidrolizar para obtener

más azúcares fermentables.

Comparando el rendimiento de Bioetanol obtenido (entre 0.10 y 0.17 L Etanol por

cada kilogramo de materia prima) con el rendimiento de otros residuos o

subproductos de industrias de los cuales se ha obtenido Bioetanol, (0.25

LEtOH/kgMP) para la Cascarilla de Arroz, ( 0.34 LEtOH/kgMP) para el Bagazo de Caña,

(0.16 LEtOH/kgMP) y para deséchos cítricos (Bagazo y cáscara)(A. M. Sánchez, A.

I. Gutiérrez, 2009) se confirma una capacidad media – baja para la obtención de

Bioetanol de segunda generación en este trabajo.

En base a los resultados obtenidos de azúcares reductores, indican que existen

remanentes de materia orgánica no fermentable, confirmado mediante la medición

de grados Brix finales y resultados del HPLC. Tal es el caso de la Xilosa la cual no

es asimilada debido a que la levadura Saccharomyces Cerevisae solo puede

fermentar glucosa, galactosa y manosa.

64

7. RECOMENDACIONES

Realizar un pretratamiento ácido o alcalino para eliminar los lípidos presentes en

los residuos de granos de café molido usado para evitar la generación de grumos

que disminuyan el área de contacto y limiten la eficiencia del proceso de obtención

de bioetanol.

Realizar un pretratamiento alcalino a los RGCM o complementar el proceso de

obtención de bioetanol con hidrólisis enzimática, para determinar cómo favorece

esto al rendimiento del proceso.

Realizar cultivos propios de levadura Saccharomyces cerevisiae con

concentraciones de azúcares similares a las obtenidas mediante el análisis de

azúcares reductores, además a las soluciones de hidrolizado añadir nutrientes de

crecimiento para las levaduras.

Observar el efecto de fermentación alcohólica con sólidos disueltos de RGCM y

determinar los parámetros del rendimiento de la fermentación, con la finalidad de

favorecer la fermentación.

Realizar un estudio para determinar condiciones óptimas para la fermentación de

RGCM y la obtención de bioetanol en el Distrito Metropolitano de Quito,

enfocando la investigación en tiempos de fermentación, concentración de ácido

diluido y sacarificación de los RGCM.

Trabajar con distintos tamaños de partícula de RGCM para determinar cómo esto

afecta al rendimiento de la obtención de bioetanol, ya que en otras técnicas de

extracción se trabaja con diferente tamaño de partícula.

65

Utilizar los RGCM para la obtención de otros biocombustibles como biodiesel (por

la presencia de lípidos mediante transesterificación), gas de síntesis, biochar, etc,

como se representa en la figura 1.

66

8. CITAS BIBLIOGRÁFICAS

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73

ANEXOS

74

Anexo A Resultados obtenidos mediante el equipo CAM SIZER

75

Anexo B Resultados obtenidos del equipo HPLC

77

Anexo C Resultados de la cuantificación de azúcares reductores mediante el titulador.

78

Anexo D Procedimientos y Equipos.

Secado y pesado para

determinar contenido de

Humedad y de Residuos

.

79

Preparación de

soluciones a Hidrolizar.

80

Hidrolizado en el

autoclave.

81

Centrifugado para

separación de sólidos

remanentes.

Filtrado, secado en

Estufa y pesado de

remanentes.

82

Medición y regulación

de pH de los

hidrolizados.

Proceso de

Fermentación

83

Preparación de

Estándares, fase móvil y

medición en el HPLC.

84

Destilación y medición

con el equipo Densito

85

Medición de Azúcares

reductores con el

Titulador Mettler

Toledo

86

Equipo Cam Sizer para

medición de tamaño de

partícula

87

Medición en el software

STATGRAPHICS

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