química obtenciÓn de energÍa elÉctrica a partir del
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL ALMIDÓN:
INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE HCl, TEMPERATURA Y
SUSTRATO
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO AMBIENTAL
Autor(es):
Br. FARJE OCAMPO ZENOBIA EMPERATRIZ
Br. VARGAS ESCALANTE FIDEL ANGEL
Asesor:
Dr. CROSWEL AGUILAR QUIROZ
Trujillo 2013
Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL ALMIDÓN:
INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE HCl, TEMPERATURA Y
SUSTRATO
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO AMBIENTAL
Autor(es):
Br. FARJE OCAMPO ZENOBIA EMPERATRIZ
Br. VARGAS ESCALANTE FIDEL ANGEL
Asesor:
Dr. CROSWEL AGUILAR QUIROZ
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ii
JURADO CALIFICADOR
--------------------------------------
Ing. Rosa Nomberto Torres
Jurado
----------------------------------------
Dr. Alberto Quezada Álvarez
Jurado
------------------------------------
Dr Croswel Aguílar Quiroz
Asesor
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I
PRESENTACIÓN
SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO
De conformidad con los requisitos por el Reglamento de Grados y Títulos de la escuela
Académica Profesional de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Trujillo,
nos es honroso presentar a consideración de vuestro elevado criterio el presente trabajo
titulado: ―OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL ALMIDÓN:
INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE HCl, TEMPERATURA Y
SUSTRATO‖, que sustentaremos como tesis para obtener para obtener el Título de
Ingeniero Ambiental, si vuestro dictamen nos es favorable.
Trujillo, Junio del 2013
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II
DEDICATORIA
Z. Emperatriz Farje Ocampo
A Dios
Por darme muestras de su infinita de bondad. Por su
fidelidad y amparo desde siempre.
A mi madre Jenny
Por haberme apoyado, por sus consejos, por la
motivación constante que me ha permitido ser
una persona de bien. Pero sobre todo por su lucha
diaria y coraje.
A mis amigos incondicionales.
Por su apoyo desmedido y generoso. Por la confianza
y la valoración que me tienen
A mi asesor.
Por su desinteresado y generosoapoyo. Por afianzar
la confianza en mí misma. Por su seguimiento
constante en cada etapa académica y sobre todo por
sus acertados consejosy sabiduría.
. A mi Alex.
Por su paciencia y lealtad. Por enseñarme que la
aceptación y la corrección de nuestros errores
empiezan por uno mismo. Simplemente gracias por
caminar a mi lado, sostenerme y aligerar mi carga.
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III
DEDICATORIA
Fidel Vargas Escalante
A mi familia
Por su apoyo desmedido y sacrificio.
A miasesor.
Por compartir su conocimiento y experiencia para el
desarrollo de esta tesis.
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IV
AGRADECIMIENTO
Expresamos nuestra más profunda gratitud y agradecimiento al Grupo de Investigación
del Laboratorio de Catálisis y Adsorbentes de la Universidad Nacional de Trujillo por
habernos apoyado incondicionalmente haciendo posible la realización de este trabajo.
En forma especial a nuestro asesor Dr. Croswel Aguilar Quiroz por su compromiso en
esta investigación y al técnico de Laboratorio de Catálisis, el Sr. Jorge Alcántara
Castillo.
Agradecemos a los docentes de la Facultad de Ingeniería Química, por todos los
conocimientos impartidos durante nuestra formación académica.
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V
ÍNDICE
PRESENTACIÓN ............................................................................................................. I
DEDICATORIA ............................................................................................................... II
AGRADECIMIENTO .................................................................................................... IV
CAPÍTULO I .................................................................................................................... 1
INTRODUCCION ............................................................................................................ 1
CAPITULO II ................................................................................................................... 9
MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................................ 9
2.1 EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS. ........................................................... 9
2.1.1. Equipos .................................................................................................................. 9
2.1.2. Materiales. ........................................................................................................... 10
2.1.3. Reactivos ............................................................................................................ 10
2.2 UNIDADES CONSTRUIDAS ................................................................................. 10
2.2.1 Control de agitación y calentamiento del agua. ..................................................... 10
2.2.2 Cámara de calentamiento de agua ........................................................................ 12
2.2.3 Cámara de Reacción ............................................................................................ 13
2.2.4 Celdas Galvánicas (Bioceldas) ............................................................................. 14
2.2.5 Electrodos. ............................................................................................................ 15
2.3 PROCEDIMIENTO ................................................................................................. 16
2.3.1 Procedimiento para la medición de voltaje.......................................................... 16
2.3.2 Procedimiento para la Calibración de Temperatura. ............................................. 16
2.3.3 Procedimiento para la concentración de HCl. ...................................................... 18
2.3.4 Procedimiento para la Relación Agua (mL)/Almidón (g) ................................... 18
2.3.5 Procedimiento para determinar el tiempo de vida útil ......................................... 19
CAPITULO III ............................................................................................................... 20
RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................... 20
3.1. Generación de energía con electrodos de superficie lisa y rugosa. ........................ 20
3.2 Concentración de HCl. ............................................................................................. 25
3.3 Relación agua/ almidón: ........................................................................................... 32
3.4 Influencia de la temperatura. .................................................................................... 35
3.5 Tiempo de vida útil. ................................................................................................. 39
CAPÍTULO IV ............................................................................................................... 41
CONCLUSIONES .......................................................................................................... 41
CAPÍTULO V ................................................................................................................ 42
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VI
RECOMENDACIONES ................................................................................................ 42
CAPÍTULO VI ............................................................................................................... 43
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................... 43
ANEXOS ........................................................................................................................ 46
ÍNDICE DE TABLAS
Capítulo II
Tabla II - Tabla II - Formato para lograr la temperatura requerida …………………...16
Capítulo III
Tabla III - 1 Parámetros de las bioceldas- medición con electrodos de superficie lisa . 20
Tabla III - 2 Parámetros de las bioceldas- medición con electrodos de superficie rugosa
........................................................................................................................................ 21
Tabla III - 3 Resultados de la generación de voltaje en las celdas de almidón, medidas
con electrodos de Superficie Lisa ................................................................................... 22
Tabla III - 4 Resultados de la generación de voltaje en las celdas de almidón, medidas
con electrodos de Superficie Rugosa .............................................................................. 22
Tabla III - 5 Parámetros de las biocleldas a diferentes concentraciones de HCl .......... 25
Tabla III - 6 Resultados de la generación de voltaje a diferentes concentraciones de HCl
........................................................................................................................................ 26
Tabla III - 7 Parámetros de las biocleldas para determinar la influencia de la relación
agua /almidón ................................................................................................................. 32
Tabla III - 8 Resultados de la generación de voltaje a diferentes relaciones
agua/almidón .................................................................................................................. 33
Tabla III - 9 Parámetros de las biocleldas para determinar la influencia de la
Temperatura .................................................................................................................... 35
Tabla III - 10 Resultados de la generación de voltaje a diferentes Temperaturas ......... 35
Tabla III - 11 Parámetros de las biocleldas para determinar el tiempo de vida útil ...... 39
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VII
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1 - Sistema Electrico del control de la agitación y calentamiento de agua ............ 11
Fig. 2 Acondicionamiento para la cámara de calentamiento del agua y la cámara de
reacción de las bioceldas ................................................................................................ 11
Fig. 3 - Cámara de calentamiento de agua..................................................................... 12
Fig. 4 - Cámara de Reacción ........................................................................................ 13
Fig. 5- Bioceldas expuestas al agua caliente ................................................................. 14
Fig. 6 - Bioceldas ........................................................................................................... 14
Fig. 7 - electrodos .......................................................................................................... 15
Fig. 8 - Circuito eléctrico del control de agitación y calentamiento............................. 17
Fig. 9 - Software PLC .................................................................................................... 18
Fig. 10 - Voltaje vs. Tiempo para celdas diferentes concentraciones de HCl y medidas
con electrodo de superficie lisa. ..................................................................................... 23
Fig. 11 - Voltaje vs. Tiempo para celdas diferentes concentraciones de HCl y medidas
con electrodo de superficie rugosa. ................................................................................ 24
Fig. 12 - Generación de Voltaje a diferentes concentraciones de HCl .......................... 29
Fig. 13 - Generación de energía a diferentes relaciones agua/ almidón ...................... 34
Fig. 14 - Generación de energía en las celdas de almidón, usando temperaturas de
30,35 y 41°C; 0.5g de almidón y HCl de concentración 9.0 x10-3M ............................ 36
Fig. 15 - Comportamiento de las bioceldas de almidón en la generación de voltaje
durante 26 días de reacción ............................................................................................ 40
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VIII
RESUMEN
Se investigó la degradación del almidón con HCl en celdas electroquímicas con el
propósito de generar energía eléctrica (voltaje). Para los ensayos de las variable de
estudio (Temperatura 30-41ºC, relación de Almidón(g) / Agua(mL) (80/1 - 160/1),
Concentración de HCl (1x10-3
,2.5x10-3
,4.8x10-3
y 9x10-3
N) y el Tiempo de vida útil) se
prepararon disoluciones con concentraciones específicas. En el caso de la temperatura
se usó un Controlador Lógico Programable (PLC) para mantener la requerida.La
energía eléctrica (voltaje) se generó por proceso de óxido reducción durante la
degradación del almidón; y para medirla se usaron electrodos de grafito conectados a un
multitester.Los resultados muestran que lageneración de energía a concentraciones bajas
deHCl(1x10-3
, 2.5x10-3
y 4.8x10-3
N)atravesó 3 etapas, en la primera, antes de las 40
horas, la generación fue muy baja, en la segunda, que llega hasta las 80 horas, se dióuna
generación de energía media, y finalmente en la última etapa la generación decreció
drásticamente. Respecto a la concentración más alta ensayada (9x10-3
N) la generación
de energía eléctrica fue constante desde un inicio hasta las 80 horas que también
decreció. Por otro lado, conforme se aumentó la disolución de agua la generación
aumentó hasta la disolución de 150/1, con la siguiente disolución 160/1 decayó hasta los
valores más bajos registrados en este ensayo. Del estudio se puede concluir que sí es
posible generar energía eléctrica por la degradación de almidón con HCL, siendo este
último el que favorece la hidrólisis del almidón y la generación de energía.
Palabras clave: bioceldas, hidrolisis ácida, reacciones de óxido - reducción
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IX
ABSTRACT
It is studied the starch degradation with HCl in electrochemical biofuel cells for the
electric power generation (voltage). solutions with specific concentrations were
prepared for the assays of the study variable (Temeprature, HCl concentration,
Starch/Water rate and lifetime). For the temperature assay a Programmable Logic
Controller (PLC) was used, in order to maintain the required temperature. The
electricity (voltage) was generated by redox process during the degradation of starch,
and for the measure a graphite electrodes connected to a multitester were used. The
results show that the power generation at low concentrations of HCl (1x10-3
, 2.5x10-3
y
4.8x10-3
N) through three stages, in the first, before 40 hours, the generation is very low,
in the second, which reaches 80 hours, the power generation is media and finally in the
last stage the generation drastically decreases. Regarding the highest concentration
tested electricity generation is constant from the beginning until 80 hours that also
decreases. Moreover, as the water disolution increase, the power generation also
increases until the dissolution of 150/1, with the following solution 160/1 decays to the
lowest values recorded in this trial. Study it can be concluded that it is possible to
generate electricity by the starch degradation with HCL, the latter favoring the
hydrolysis of starch and power generation.
Keywords: biofuel cell, acid hydrolysis, oxidation - reduction reactions
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1
CAPÍTULO I
INTRODUCCION
“El consumo energético mundial tiene tres fuentes principales de abastecimiento:
combustibles fósiles, la energía nuclear y las energías renovables”(Forsberg, 2009:
192). “El departamento de Energía de los Estados Unidos ha predicho que la
cantidad existente de petróleo probablemente llegue a su fin en 25 o 30 años”. La
creciente preocupación por el agotamiento de los recursos energéticos, y por el
aumento de la demanda energética (Lee et al. 2007: 400), ―se ha convertido en una
fuerza impulsora para la investigación de tecnologías alternativas para el
abasteciendo de electricidad”(Davis&Higson, 2006: 1224).
Debido a “la alta densidad energética de las plantas nucleares que generan 10.000
veces más energía por masa de uranio que las energías fósiles o renovables”; la
energía nuclear es evaluada como una de las alternativas capaces de contribuir a la
solución de agotamiento de los recursos fósiles (Lee et. al, 2007: 401).
“La energía nuclear puede ser usada para la producción de H2, el cual se puede
almacenar para luego producir electricidad mediante pilas de combustible, turbinas
de vapor u otra tecnología”(Forsberg, 2009: 197, 198). Hoy en día“el H2 es
producido casi exclusivamente por el Reformado con Vapor de Combustibles fósiles,
un proceso que resulta en la liberación de grandes cantidades de dióxido de
carbono”(Forsberg, 2005: 492). El aporte de energía para el proceso de reformado
puede provenir de la energía nuclear.
Si bien la producción a gran escala de la energía nuclear es económica; aún existen
muchas incertidumbres por resolver. Es así que “la generación de residuos
radiactivos,que duran miles o cientos de miles de años, se convierte en una
preocupación social, que limita el uso de la energía nuclear en zonas urbanas
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densamente pobladas”. Otro problema social que se desprende de la aplicación de la
energía nuclear es la proliferación de armas nucleares, pese a los esfuerzos
internacionales por controlar esta práctica (Lee, et. al, 2007: 405).
El enorme riesgo del uso de este tipo de energía ha sido verificado en desastres
nucleares como el ocurrido en Fukushima, Japón. En marzo del 2011, como
consecuencia del terremoto de 9,0 grados en la escala Richter, ―se liberóuna gran
cantidad de elementos radioactivos de los reactores de Planta de energía nuclear
Fukushima. Siendo el yodo, estroncio y cesio un gran riesgo al contaminar los
cultivos agrícolas del lugar‖(Kinoshitaa et. al,2011: 1,2).
En ese contexto,“la energía eléctrica proveniente de fuentes renovables como: el
sol, el aire, el agua y la biomasa; siguen siendo una opción sostenible en el tiempo”
por las diferentes posibilidades tanto de su uso como de su aplicación (Dittmar,
2012: 35).
La energía solar es abundante, limpia, libre de ruidos o cualquier tipo de
contaminación para el medio ambiente. En la industria “las aplicaciones más
comunes de la energía solar de tipo térmico son: Calentadores solares de agua, como
los utilizados en la industria textilpara calentar el aguaa temperaturas cercanas
a100°Cpara el blanqueo,teñido y lavado; Secadores solares; Calefactores; Sistemas
de refrigeración y en la desalación de agua”(Mekhilef, Saidur& Safari, 2011:
1718).
Las industrias que tienen mayor potencial para aplicarla energía solar térmica son en
primer lugar la “industria alimentaria: que abarca lácteos, carnes cocinadas y
cervecería; en proceso de media temperatura como lavado, limpieza, esterilización,
pasteurización, secado, cocción, hidrolisis, destilación, evaporación, extracción y
polimerización. En segundo lugar,en elsector de la construcción se está integrando
elmaterial solar, con sustancias y sistemassolares en edificios, para un mejor
aprovechamiento de la energía solar térmica. Lo cual ha permitido que los edificios
recojan y distribuyanla radiación solar tomando ventaja de laorientación del edificio,
la estructura y materiales. También existen edificios con aplicaciones fotovoltaicas
que utiliza elsistema de energíafotovoltaicapara generar
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electricidad,iluminación,calefacción, ventilación yrefrigeración por aire”(Mekhilef,
Saidur& Safari, 2011: 1778).
La Industria de la construcción utiliza la energía solar no sólo para la calefacción y
con propósitos de refrigeración en los sistemas de ventilación y aire acondicionado,
sino también para generar electricidad por las células fotovoltaicas (PV). “La
industria solar fotovoltaica sin duda puede contribuir a cubrir la demanda mundial de
electricidad. Por otra parte, cabe recalcar que los paneles fotovoltaicos han
experimentado un 86% de reducción, en el costo en la última década”. Así, hoy por
hoy, los edificios con tecnología fotovoltaica integrada, utilizan células fotovoltaicas
remplazando los materiales tradicionales de construcción en las paredes, en el techo
y en los balcones o incluso como ventanas de cristal semitransparentes (Sharma,
Chen&Lan, 2009: 1191).
La aplicación de la energía solar también es viable en el sector agroindustrial para el
secado de muchas frutas y verduras que contienen gran humedad inicial, siendo
altamente susceptibles a la degradación. “El secado a cielo abierto es una práctica
muy común en la agricultura pero tiene muchas desventajas: los productos
estropeadosdebidoa la lluvia, el viento, la humedad y elpolvo, la pérdida de
produccióndebidoa las aves yanimales; deterioroenloscultivos cosechadosdebido a la
descomposición, ataques de insectos y hongos, etc. El secadomecanizado esmás
rápido que elsecado al aire libre, utilizamucho menos tierray por lo generalse obtiene
un productode mejor calidad.Peroel equipo es carolo cual lo hace accesible solo a
empresas comerciales de grandes inversiones, a la vez que aumenta el costo del
producto. Por el contrario los secadores solares tienen costos operativos bajos siendo
atractivo para todas las empresas, incluso para los propios agricultores”.
Convirtiéndose así en una de las tecnologías de secado más baratas para
producirproductos de alta calidad(Sharma, Chen&Lan, 2009: 1186).
Además, la energía solar, de manera indirecta, origina una serie de formas de
energía. Así, la “radiación solar participa en el ciclo hidrológico del agua, que es
aprovechado en centrales hidroeléctricas como energía hidráulica. Influye en la
formación de vientos que es aprovechada como energía eólica. Participa en la
fotosíntesis de las plantas, dando lugar a energía química de biomasa”(Pizzariello,
Stred’ansky, &Miertus, 2002: 99-105).
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Las plantas (vegetales) representan una forma natural de almacenamiento de energía
química, la cual se puede aprovechar de múltiples maneras, desde las más
elementales como la alimentación del ser humano o la generación de energía a través
de combustión directa, hasta otras más complejas como la―generación de energía a
través de compuestos intermedios (por ejemplo etanol, esteres, biocondensables,
etc.)o la prometedora generación directa de energía a través de
bioceldas”(Pizzariello, Stred’ansky, &Miertus, 2002: 99-105).
El creciente aprovechamiento energético de la biomasa de las plantas se ha
encaminado a “generar lo que hoy se conoce como biocombustibles. Estos pueden
ser de primera, segunda” (Sims, et al., 2010: 1570) o “tercera generación”
(Suurs&Hekkert ,2009: 3) dependiendo de si provienen de cultivos comestibles
(maíz, palma, soja o caña de azúcar.), residuos de cultivos (como tallos, cáscaras,
pulpa y pieles de frutas) o microalgas, respectivamente.
En los últimos años se ha intensificado la investigación de dispositivos que
transformen la energía química de la biomasa en energía eléctrica. Bullen et al,
2006desarrolló un estudio donde clasificaesos “dispositivos electroquímicos en: (i)
baterías, (ii) celdas de combustible y (iii) celdas solares. Bullen define cada uno de
estos dispositivos como sigue: Las baterías son dispositivos electroquímicos donde
todas las reacciones ocurren dentro de la batería, donde el cátodo, ánodo y el
combustible se almacena en el interior de este dispositivo. Las celdas de
combustibles son dispositivos similares a las baterías pero el suministro de
combustibles es desde el exterior. Las celdas solares son dispositivos donde la luz
incidente es convertida a energía eléctrica”. Además, Bullen, de acuerdo al
combustible que usan, clasifica cada uno de estos dispositivos en: (a) Biológicamente
catalizados, cuando usan enzimas o microorganismos vivos como agentes
catalizadores. (b) Orgánicos, cuando usan agentes químicos más complejos, y
catalizadores inorgánicos (metálicos). (c) Inorgánicos, cuando usan agentes químicos
simples y catalizadores inorgánicos. (Bullen et al; 2006: 2018, 2019)
Del conjunto de dispositivos electroquímicos, “las bioceldas(celdas de combustible
con sustrato orgánico) sobresalen como una alternativa prometedora de
aprovechamiento de la biomasa. En el futuro se considera que las Bioceldas en
miniatura podrán ser utilizadas como fuentes de suministro de energía
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utilizandodispositivos nano-micro electrónicos y biosensores”. Esto gracias a que las
bioceldas requieren solo pequeñas fuentes de energía química, que puede ser tomada
de plantas e incluso de organismos vivos (por ejemplo, glucosa desde el torrente
sanguíneo). (Ramanavicius, et al., 2005:1962)
“En las bioceldas se producen reacciones de óxido – reducción, en el ánodo la
reacción de oxidación y en el cátodo de reducción. La transferencia de electrones
hacia el cátodo es a través de un circuito externo, mientras que los protones se
transfieren a través de la membrana que divide a las semiceldas. El circuito se
completa con el movimiento de cargas compensadoras a través del electrolito en
forma de iones positivos”(Pant et al, 2010: 1534).
La generación de electricidad en las bioceldas a partir de biomasa renovable y de
residuos, tiene gran potencial de desarrollo tanto en términos de autosuficiencia
energética, como en términos de “no afectar el abastecimiento de productos para la
alimentación como lo hacen los combustibles de primera generación”(Mohammadi,
et al, 2011: 1-11).
Existen una gran variedad de sustratos que pueden ser usados como materias primas
para la generación de energía, desde compuestos puros hasta mezclas complejas de
materia orgánica. Por ejemplo, “residuos orgánicos de aguas residuales, biomasa
lignocelulosica, residuos de actividades agrícolas, industriales, madereras, solidos
municipales, etc”(Simset al, 2010: 1751).
Uno de los sustratos prometedores a usar en las bioceldas es la carga orgánica de las
aguas residuales. El tratamiento convencional de éstas requiere de una serie de
operaciones de tipo mecánico, químico, biológico que conlleva a una inversión sin
retorno. “Mediante el uso de aguas residuales como sustrato para la conversión de
energía se logra de manera simultánea generar electricidad y tratar las aguas
residuales”(Sharma&Kundu, 2010: 180).
Las industrias relacionadas a los alimentos y el consumo en sí de los productos
alimenticios, generan grandes cantidades de efluentes líquidos. Toda vez que los
almidones son el principal componente de los alimentos, estos efluentes tienen la
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característica de ser muy ricos en almidón. He aquí entonces, una interesante fuente
de sustrato para las bioceldas.
“El almidón, el material de carbohidrato de reserva dominante de las plantas
superiores, se compone principalmente de dos tipos de homopolimeros α-D-glucosa,
es decir, de amilosa y amilopectina. La amilosa es una molécula esencialmente lineal
compuesto de unidades de anhidroglucosa conectados a través de α (1 → 4) vínculos
con unas pocas α (1→ 6). Su peso molecular promedio en peso (Mw) es de
aproximadamente 1x 105- 1x10
6. La amilopectina es una molécula mucho mayor con
Mw de 1x107- a 1x10
9 y una estructura muy ramificada construido de
aproximadamente 95% α (1→ 4) y 5% α (1→6) vínculos entre sí. Dentro de los
gránulos de almidón, el conjunto de macromoléculas con alternancia de grupos semi-
cristalinos y el crecimiento de anillos amorfos, no es uniforme”(Lin&Mei, 2006:
527).
Murphy comenta que el almidón es el segundo polisacárido más abundante en las
plantas después de la celulosa; “se compone de polímeros de glucosa que vienen en
dos formas moleculares, lineales y ramificadas. La primera referida como amilosa
(llamada también región cristalina del almidón) y el segundo como amilopectina
(región amorfa del almidón)”(Phillips et al, 2005: 41-64). Los almidones pueden
ser modificados por métodos enzimáticos, físicos y químicos.
“El almidón es naturalmente sensible a la protonación por ácidos, incluso por
pequeñas cantidades de ácidos orgánicos débiles. Sin embargo la hidrolisis acida con
HCl ha recibido más atención”(Tomasik. P, Schilling. C, Vol 59). La hidrolisis
ácida generalmente tiene lugar cuando el “ácido ataca la región amorfa del granulo.
Consecuentemente la despolimerización de la fracción amilopectina es más rápida
que de la fracción amilosa. Esto genera un gran número de fracciones poliméricas
lineales” (Betancur&Chel, 1997: 4237-4241)
La propuesta de utilizar almidón como materia prima en principio pasa por dos
reacciones: una de hidrolisis y otra de oxidación; en esta última se producen las
reacciones de óxido- reducción.
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Estudios sobre la hidrolisis del almidón indican que:
Wang et al., 2012 en estudios sobre las características de gránulos de almidón en un
guisante; realizaron reacciones de hidrolisis con HCl observando que: en “el primer
día la hidrolisis ocurre sobre la superficie del grano de almidón generando la
formación de poros, grietas y fisuras las cuales se incrementaron en los días
siguientes. Por lo tanto la penetración del ácido es mejor y se promoverá
principalmente la hidrolisis en las regiones no cristalinas. En las últimas etapas de la
hidrolisis se degradan las regiones cristalinas formadas por las dobles hélices de la
amilopectina”. Con lo cual proponen un nuevo modelo esquemático de la
organización del grano del almidón: una región central amorfa rodeada por una
alternancia de anillos en crecimiento semi- cristalino y amorfo (Wang et al., 2012:
1948).(Ver figuraen Anexo 1)
Jayakody&Hoover, 2001, estudiaron el efecto de lintnerización de los gránulos de
almidón de cereales, tratadas con HCl 2.2N a 35ºC por 15 días. Los resultados
muestran que “la hidrolisis acida: a) en la región amorfa es función de la
concentración de lípidos, tamaño de grano y porosidad. b) en la región cristalina es
función de la distribución de los puntos de ramificación α (1→ 6) entre las regiones
amorfas y cristalinas, concentración de amilopectina y grado de empaquetamiento de
las hélices dobles dentro de los cristalitos” (Jayakody&Hoover, 2001: 679)
Betancur&Chel, 1997 estudiaron la influencia de la concentración del HCl (a
diferentes concentración 0.5- 1.5%), temperatura (45-55ºC) y el tiempo de reacción
(3- 6h) sobre las propiedades de viscosidad y el numero alcalino del almidón de
Canavaliaensiformis. Muestran que “la concentración de HCl tiene mayor influencia
sobre la viscosidad y el número alcalino del almidón, en contraste con la temperatura
y tiempo de reacción que no tiene mucha influencia significativa” (Betancur&Chel,
1997: 4237-4241)
Estando el almidón hidrolizado en glucosa es utilizado para obtener energía eléctrica
en bioceldas:
Na Lu et al, en el año 2009, muestra el uso de las celdas de combustible biológico
para la generación de electricidad, utilizando aguas residuales del procesamiento de
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almidón. Los resultados de este estudio, indican una “eficiencia en la remoción de la
DQO del 98% con un periodo de operación de 140 días y un voltaje máximo de
490,8mV”. (Lu, et al, 2009: 1-11).
Diversos estudios se han desarrollado en torno al uso de la glucosa como
combustible en las bioceldas. ArunasRamanavicius, (2005), desarrollo un estudio en
bioceldas con encimas usando dos electrodos de carbono de 3mm de diámetro, a
temperatura ambiente en solución acuosa a pH 6, usaron glucosa como fuente de
energía el potencial de la celda alcanzando fue de 145mV.(Ramanavicius,et al,
2005: 1963).
AdanHeller, 2003, desarrollo bioceldas que consisten en dos fibras de carbono de
7mm diámetro, recubiertos con diferentebioelectrocatalizadores enzimáticos.
Presenta la base lógica del diseño y las capacidades proyectadas del concepto de
Bioceldas de fibras glucosa/O2 para alimentar los biosensores implantados (Heller,
A., 2004: 209).
En el año 2004, Niessen et al, desarrollo una biocelda usando como fuente de energía
almidón, glucosa o melaza, y como catalizador los microorganismos
Clostridiumbutyricumo Clostridiumbeijerinckii. El voltaje de la celda alcanzada fue
de 756mV. (Niessen et al, 2004: 955)
Como ya se comentó; existen trabajos relacionados con la segunda etapa de
transformaciones por oxido reducción de glucosa para generar energía.
Estudiar el proceso de obtención de energía eléctrica a partir de almidón mediante
bioceldas electroquímicas, en la cual las reacciones de hidrólisis y oxido-reducción
se realicen casi simultáneamente, lo que significa que el proceso se realiza en una
sola etapa, es materia de investigación y de desarrollo en el presente trabajo
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CAPITULO II
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS.
2.1.1. Equipos
Balanza Analítica Sartorious
Descripción: BT-210S con % error ± 0.001.
PLC (ProgrammableLogicController)
Descripción: TELEMECANIQUE- SR1 -B101- FU
Multitester Digital
Motores: Consisten en dos motores, uno de 12 V CC y otro de 4.5 V CC
para mover los agitadores de las unidades construidas.
Termómetro Termocupla: Consiste en un termómetro de conexión
trasera, rango de temperatura: 0-200 °F.
Resistencia: Consiste en una resistencia eléctrica de 2200watts cuyo uso
común es en hervidores eléctricos. Se usaron para calentar el agua que
calentaría las bioceldas.
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2.1.2. Materiales.
Probeta
Caja de tecnopor
Pipeta
Varillas de vidrio
Electrodo de grafito
Piseta
Celdas galvánicas
Acetato de celulosa (membrana)
2.1.3. Reactivos
Agua destilada
Almidón: almidón soluble de papa (Soluble potatostarch)
Ácido Clorhídrico (0.1N)
2.2 UNIDADES CONSTRUIDAS
2.2.1 Control de agitación y calentamiento del agua.
Para que el calentamiento sea constante durante el tiempo de reacción de las
bioceldas, se diseñó un equipo con un programadorautomático (PLC) que
mantendrá la temperatura durante el tiempo delexperimento.
Este equipo está constituido por:
a) Controlador lógico programable (PLC) TELEMECANIQUE- SR1 -
B101- FU.
b) Contactor de 25 Am 220V CA.
c) Relay de 220 V CA 7 Amp.
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d) Transformador de 220 V CA a 12 V CC.
e) Transformador de 220 V CA a 4.5 V CC.
a
b
c
d
e
h
f
g
(a) Contactor (b) Relay (c) transformador
de voltaje de 220 V CA a 12 V CC (d)
borneras de salida de energía eléctrica (CC
y CA) (e) transformador de voltaje de 220 V
CA a 4.5V CC (f) controlador lógico
programable (PLC) (g) Fusible (h) borneras
de ingreso de energía eléctrica.
1
3
5
4
2
6
(1) Termómetro (2) Recipiente
plástico para agua (3) agitadores (4)
hélice (5) soporte para las bioceldas
(6) agua acondicionada
térmicamente.
Fig. 1 - Sistema Eléctrico del control de la agitación y calentamiento de agua
Fig. 2-Acondicionamiento para la cámara de calentamiento del agua y la cámara
de reacción de las bioceldas.
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2.2.2 Cámara de calentamiento de agua
Comprende dos semi cámaras, una donde se calienta el agua con una resistencia
eléctrica y tiene dos tubos que conectan a otra la cámara para el intercambio de
agua entre las dos cámaras.
La cámara de calentamiento está constituido por:
a) Un recipiente plástico de 7 litros
b) Una resistencia eléctrica de 2200watts controlado por PLC. (Fig. 3, b_1)
c) Agitador con motor de 12 V CC
d) 2 tuberías para la circulación de agua de la zona de fría hacia la caliente
(ingreso y retorno).
Fig. 3 - Cámara de calentamiento de agua
1
4
2
3
(a)
(a) Compartimiento de acondicionamiento térmico (b) Representación esquemática
de la cámara de calentamiento de agua. (b_1) Resistencia eléctrica (b_2) Agitador (b_3)
recipiente plástico para almacenamiento de agua (b_4) tubería de intercambio de agua.
(b)
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2.2.3 Cámara de Reacción
En estacámara se encuentran las celdas galvánicas en baño maría.
La cámara de reacción está constituido por:
a) Un termómetro como se observa en la Fig.(4, b_1)
b) 4 celdas galvánicas( ver Fig.4, b_3)
c) Agitador con motor de 4.5 V CC (ver Fig. 4, b_4)
d) Agua acondicionada térmicamente producto del calentamiento que
produce la resistencia que se muestra en la Fig. 4, b_1
Fig. 4- Cámara de Reacción
(a) Representación esquemática; (b) Compartimiento de la reacción (b_1)
Termómetrotermocupla (b_2) Agua acondicionada térmicamente (b_3) Caja plástica
con cuatro compartimientos (Celdas) (b_4) Agitador.
2
1
3
4
(a)
(b)
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2.2.4 Celdas Galvánicas (Bioceldas)
Celda galvánica Construida por:
a) Una caja plástica divida en ocho compartimientos los cuales están
conectados para formar 4 bioceldas. Cada biocelda está conformada por
dos cámaras o semi-celdas (ver Fig.6, b_1) comunicadas a través de una
película de Acetato de Celulosa (ver Fig.6, b_2).
b) acetato de celulosa (membrana intercambiadora de protones) colocada
en la parte central de las semi-celdas.
Fig. 6 - Bioceldas
(a) caja de 4 celdas galvánicas (b_1) semi-celdas (b_2) película
intercambiadora de protones (acetato de celulosa) (b_3) caja de celdas
galvánicas.
Celdas
1
3
2
(a)
(b)
Fig. 5- Bioceldas expuestas al agua caliente
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2.2.5 Electrodos.
Los electrodos usados para la medición del voltaje generado en las celdas; son
de grafito. Estos grafitos tienen una longitud aproximada de 6cm y se conectan a
cables de cobres; tal como lo muestra la Fig.7.
Construido con varillas de grafito y cable de cobre.
(1) Cable de cobre (2) electrodos de grafito
1
2
Fig. 7 - Electrodos
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2.3 PROCEDIMIENTO
2.3.1 Procedimiento para la medición de voltaje.
Para la medición del voltaje se usaron electrodos de gafito y un multitester.
El presente trabajo tiene como variables de estudio a: Relación agua (mL)/HCl (mL);
Relación agua (mL)/Almidón (g); Temperatura; Tiempo de vida útil.
2.3.2 Procedimiento para la Calibración de Temperatura.
La temperatura del agua es controlado por PLC (Controlador lógico programable)
cuyos parámetros son:tiempo de calentamiento y el tiempo de agitación. Tal como
se muestra en lasconexiones eléctricas respectivas (ver Fig.8).
La calibración de la temperatura se realizó bajo el siguiente procedimiento:
a) Llenado de agua en ambos compartimientos de la cámara de calentamiento
hasta cubrir totalmente la resistencia eléctrica (ver Fig. 2).
b) Se asignó tiempos de pre agitación (t1), agitación (t2) y calentamiento (t3) y el
tiempo de espera (4) según el siguiente formato hasta lograr la temperatura
requerida.
Tabla II - Formato para lograr la temperatura requerida
N°
ensayo
Tiempo
de
agitación
1(t1)
Tiempo de
agitación 2
(t2)
Tiempo de
calentamiento
(t3)
Tiempo de
espera
(t4)
Temperatura
final(ºC)
1
2
3
..n
c) Luego de encontrar los parámetros bajo los cuales trabajara el sistema. En cada
semi-celda se preparó una disolución de 0.5 g de almidón y 75ml de agua destilada.
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El volumen de HCl fue 10 mL para todas las semiceldas. Se realizaron tres ensayos
bajo esta misma metodología a 30,35 y 41ºC.
Fig. 8 - Circuito eléctrico del control de agitación y calentamiento
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SOFTWARE –
PLC
Fig. 9 - Software PLC
(a)Software que controla la agitación y calentamiento del agua, (b) parámetros de
control
2.3.3 Procedimiento para la concentración de HCl.
a) En cada semicelda se preparó una disolución conteniendo 0.5 g de almidón y
75ml de agua destilada.
b) Solamente a una de las semi-celdas se adiciona HCl (1, 2.5, 5 y 10mL)
c) Se registran los valores de voltaje durante 5 días.
2.3.4 Procedimiento para la Relación Agua (mL)/Almidón (g)
a) En cada semicelda se adicionó 0.5 g de almidón.
b) Los volúmenes de agua fueron diferentes para cada celda logrando las relaciones
almidón/ agua desde 80/1 hasta 160/1.
c) El volumen de HCl fue 10 mL para todas las semiceldas.
d) Se registran los valores de voltaje durante 10 días, después se desechó las
muestras.
PARAMETROS DE CONTROL t1: tiempo de pre agitación t2: tiempo de agitación t3: tiempo de calentamiento t4: tiempo de espera o reposo (no agitación no calentamiento)
(a)
(b)
i1---------I2------------------------------------------------------- [M1
M1----------------------------------------------------------------- TT1
T1------------------------------------------------------------------ TT2
t2---------I2------------------------------------------------------- [Q1 (Agitador 1 y 2)
Q1----------------------------------------------------------------- TT3
t3------------------------------------------------------------------- [M2
M2-------I2-------------------------------------------------------- TT
T4------------------------------------------------------------------ [Q2 (Resistencia eléctrica)
Q2------------------------------------------------------------------ [M3
M3----------------------------------------------------------------- RT1
(a)
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2.3.5 Procedimiento para determinar el tiempo de vida útil
a) En cada semicelda se preparó una disolución de 0.5 g de almidón y 75ml de
agua destilada.
b) El volumen de HCl fue 10 mL para todas las semiceldas.
c) Luego se registró periódicamente los valores de voltaje durante 14 días.
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CAPITULO III
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Generación de energía con electrodos de superficie lisa y rugosa.
En la medición de la electricidad se utilizaronelectrodos de grafito, procedentes de
las minas de lápiz. Estos presentaban dos tipos de terminales uno liso y otro
rugoso. Dado que el experimento depende de la medida del voltaje generado; se
realizaron ensayos para determinar si la superficie de los electrodos, que va a
estar en contacto con la solución de la bioceldas,tiene o no una influencia sobre
los valores que se reportan de voltaje.
Los ensayos se realizaron por duplicado, las superficies de los electrodos con los
que se midió el voltaje fueron lisas y rugosas. Los parámetros de las bioceldas
fueron las siguientes:
Tabla III - 1Parámetros de las bioceldas- medición con electrodos de superficie lisa
N° de
celda
Almidón (g)
[HCl]*
M
Superficie del
Electrodo
Derecha Izquierda
1 0.5 0.5 1.0x10-3
LISO 2 0.5 0.5 2.5x10-3
3 0.5 0.5 9.0x10-3
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Tabla III - 2 Parámetros de las bioceldas- medición con electrodos de superficie rugosa
N° de
celda
Almidón (g)
[HCl]*
M
Superficie del
Electrodo
Derecha Izquierda
1 0.5 0.5 1.0x10-3
RUGOSO 2 0.5 0.5 2.5x10-3
3 0.5 0.5 9.0x10-3
* En cada celda la adición del HCl es solo a una semi-celda.
El comportamiento de las bioceldas según la superficie de electrodos (lisa o rugosa)
es como se muestra en las Tablas III-3 y III-4 y las Figuras10 y 11.
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Tabla III - 3Resultados de la generación de voltaje en las celdas de almidón, medidas con electrodos de Superficie Lisa
Tiempo
(h)
Voltaje (mV) Dispersión (R2)
CELDAS CELDAS
1 2 3 1 2 3
0 20 21 30
0.6899 0.7056 0.7845
4.15 15 13 24
32.15 13 12 17
36.45 13 15.3 23
54.45 10 8.3 13
87.45 14.3 14
89.15 14 11.2 9.7
103.45 11 7.5 4.5
113.25 9 4 15
126.45 8 3 6.3
127.25 4 2.5 7.3
Tabla III - 4 Resultados de la generación de voltaje en las celdas de almidón, medidas con electrodos de Superficie Rugosa
Tiempo
(h)
Voltaje (mV) Dispersión (R2)
CELDAS CELDAS
1 2 3 1 2 3
0 28 19.1 29.5
0.0385 0.1381 0.0531
4.15 25 17.4 23
32.15 7.6 8.3
36.45 11 6.3 35.3
54.45 2.3 8.8
57.15 6.3 3.5 43.9
65 8.9 4.3 31.9
87.45 10.3 25 50
89.15 19.2 25.3 49
103.45 25.2 15 47.8
113.25 28
52.5
126.45 19.8 18 44
127.25 24.6 27 43
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Fig. 10 - Voltaje vs. Tiempo para celdas diferentes concentraciones de HCl y medidas con electrodo de superficie lisa.
R² = 0.6899
R² = 0.7056
R² = 0.7845
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80 100 120 140
Vo
ltaj
e (
mV
)
Tiempo (h)
1.0x10-3M 2.5x10-3M 9.0x10-3M
Lineal (1.0x10-3M) Lineal (2.5x10-3M) Lineal (9.0x10-3M)
[HCl]
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Fig. 11 - Voltaje vs. Tiempo para celdas diferentes concentraciones de HCl y medidas con electrodo de superficie rugosa.
R² = 0.0385
R² = 0.1381
R² = 0.0531
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80 100 120 140
Vo
ltaj
e(m
V)
Tiempo (h)
1.0x10-3M 2.5x10-3M 9.0x10-3M
Lineal (1.0x10-3M) Lineal (2.5x10-3M) Lineal (9.0x10-3M)[HCl]
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.
Los resultados que se muestran en las Figuras 10 y 11; se observa claramente que
el valor de la correlación R2
para las diferentes concentraciones de HCl tiene
menor dispersión en las que se utilizó electrodos de superficie lisa en contraste
con los resultados que se obtienen con electrodos rugosos. En este último caso los
valores de voltaje que se leen en el multitester, son valores que no obtienen una
tendencia de comportamiento definida.
Por lo tanto, los ensayos que se realizaron en el estudio de las variables se
siguieron con electrodos de superficie lisa.
3.2 Concentración de HCl.
Para determinar la influencia de la concentración del HCl en el mecanismo de
reacción de las bioceldas, se ensayó a diferentes concentraciones de HCl, bajo las
siguientes condiciones:
Tabla III - 5 Parámetros de las biocleldas a diferentes concentraciones de HCl
N° de
celda
Almidón (g)
[HCl]*
M
Derecha Izquierda
1 0.5 0.5 1.0x10-3
2 0.5 0.5 2.5x10-3
3 0.5 0.5 4.8x10-3
4 0.5 0.5 9.0x10-3
* En cada celda la adición del HCl es solo a una semi-celda.
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Tabla III - 6 Resultados de la generación de voltaje a diferentes concentraciones de HCl
Tiempo
(h)
Voltaje (mV)
[HCl]
1.0x10-3
M 2.5x10-3
M 4.8x10-3
M 9.0x10-3
M
0 19 20 30 42
2 24 27.8 33 57.4
2.4 32.1 25 32.8 60.5
3.15 22.7 20 41.1 62
4.15 11 13 38.5 55
20.4 41 31.9 57
22.3 27.2 16.4 29.1 54
23 35.1 24.1 33 59
32.15 15.3 12 31.3
36.45 8.5 15.3
47.4 36.4 38.1 40 47
48 59.8 31.6 50.1 43.8
49 40.8 28.2 41.3 50
65 49.5 56.8 55.8 45.9
74 47 42.5 43.3 55.1
75 49.5 29.8 37.7 43.8
81.3 36 46 62.3
82 36.3 21 38 56.2
87.45 14.3 14 23 6.3
89.15 11.2 20 9.7
103.45 14.3 7.5 19.2 4.5
113.25 15 4 29 15
126.45 17.5 3 16.9 6.3
127.25 17.3 2.5 19 7.3
Los resultados que se muestran en la Tabla III-6 yFig.12 (páginas abajo), se
observan tres intervalos de tiempo con comportamientos similares, el primero
corresponde a las 40 primeras horas de reacción; un segundo entre 40 y 80 horas
y un tercer tramo a partir de las 80 horas en adelante, con las siguientes
características:
En las 40 primeras horas:
Sistema con 1mL de HCl, presenta datos dispersos y no hay tendencia definida
en la generación de voltaje.
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Sistema con 2.5 mL de HCl, la generación de energía es más o menos constante
con un promedio de 16mV
Sistema con 5 mL de HCl,la generación de energía es constante alrededor de 31
mV. Siendo ésta la más alta.
Sistema con 10 mL de HCl,se estabiliza rápidamente en 55mV
Entre 40 y 80 horas:
Sistema con 1mL de HCl, alcanza un plató con un valor promedio de 50 mV
Sistema con 2.5 mL de HCl, presenta un comportamiento tipo campana
alcanzando un máximo de 56.8 mV a las 65 h, y después disminuye.
Sistema con 5 mL de HCl, se observa un plató promedio de 50mV.
Sistema con 10 mL de HCl, continúa el plató en un valor similar al primer
tramo.
A partir de las 80 horas en adelante (tercer tramo):
Independiente de la concentración de HCl adicionado, el sistema disminuye la
generación de energía posiblemente por la desactivación del sistema.
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(a)
(b)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100 120 140
Vo
ltaj
e(m
V)
Tiempo(horas)
HCl [1x10-3M]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100 120 140
Vo
ltaj
e(m
V)
Tiempo(Horas)
HCl [2.5x10-3M]
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(c)
(d)
Fig. 12 - Generación de Voltaje a diferentes concentraciones de HCl
HCl: (a) [1.0x10-3
M], (b) [2.5x10-3
M], (c) [4.8x10-3
M] y (d) [9.0x10-3
M]; 0.5g de
almidón y 75mL de agua destilada
La hidrólisis ácida del almidón ha sido realizado desde 1870 para modificar su
estructura y producir almidón soluble (Kirchoff, 1871)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100 120 140
Vo
ltaj
e(m
V)
Tiempo(Horas)
HCl [4.8x10-3M]
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120 140
Vo
ltaj
e(m
V)
Tiempo(Horas)
HCl [9x10-3M]
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La hidrólisisácida, está relacionado con el efecto de la concentración de HCl y el
proceso de hidrolisis, como se observa en las gráficas de la Fig.12. Esto
significa que por un lado está el mecanismo de la reacción y por otro la
concentración del ácido.
Respecto al comportamiento similarde las gráficas en cuanto a la
generación de energía eléctrica a lo largo del tiempo ensayado, se puede
comentar lo siguiente:
Inicialmente la generación de energía eléctrica es baja (antes de las 40 horas),
salvo en el caso de la concentración de HClmás alta ensayada (9x10-3
M), esto
guarda correspondencia con el trabajo de Abdorreza et al, 2012, quienreportaen
su estudio acerca de las ―Propiedades físico-químicos, térmicas y reológicas de
la hidrólisis acida del almidón de soya‖ que durante las 6 primeras horas de
tratamiento con HCl (0.14M) la hidrólisis acida tiene poco efecto en la
degradación de la amilosa y la amilopectiuna; después de 12 horas
aproximadamente se incrementa fuertemente la degradación.
En adición a esto, la degradación del almidón según Jiping, et al; 2007, se inicia
por el ataque a la superficie del gránulo formando grietas, este es un proceso
lento. Así mismo, de los trabajos de Shujun, et al, 2008 y Wang, Yu, Jin,
2008, las estructuras amorfas del almidón (ubicadas en el interior del gránulo)
reaccionan con mayor facilidad que las estructuras cristalinas (ubicadas en la
superficie del gránulo. Ver figura en Anexo 1). En base a estos trabajos se
propone que, salvo el caso de la concentración de HClmás alta ensayada (9x10-
3M), inicialmente no ocurreoxidorreducción, sino lo que ocurre es el ataque al
gránulo seguido de la hidrólisis a las regiones amorfas, que serían las que
posteriormente por oxidorreducción generan la corriente eléctrica pasadas las 40
horas en todos los ensayos.
Finalmente, se debe recalcar que la concentración de 9.0x10-3
M, no experimenta
un generación inicial de energía notoriamente baja, sino más bien su gráfica
muestra una generación constante hasta las 80 horas, luego de las cuales
disminuye drásticamente como las gráficas de las demás concentraciones.
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Enfocándose ahora, ya no en el comportamiento de las gráficas, sino en el efecto
del nivel de concentración de HCl,se puede comentar lo siguiente:
Knyaginichev, Bolkhovitina, Myasoedova&Pakhomova, 1962, reportan que
cuando se utiliza altas concentraciones deHCl, se estaría produciendo un rápido
rompimiento de la cadena de almidón.
De acuerdo a estos estudios cuando la concentración del HCl es 9.0x10-3
M(alta
concentración.Fig. 12_(d)) se generaría un mayor número de moléculas ―libres‖
que reaccionaríanpor la oxidación reducción y por lo tanto, producenmás
energía, haciendo que el sistema sea más estable en su producción. Sin
embargo, a bajas concentraciones de HCl el rompimiento de la cadena es lento,
en consecuencia las reacciones de oxidación reducción disminuyen y el sistema
tiende a ser inestable en la generación de energía, como se muestra en
laFig.12_(a).Este comportamiento hace suponer que la naturaleza de la fuerza
acida estaría determinando la eficiencia del proceso, tal como concluyeJane
Wang et al, 2003, al estudiar las ―propiedades reológicas y estructurales del
almidón de maíz afectadas por la hidrolisis acida‖. Dicho autorafirma que tanto
la amilosa y la amilopectina se hidrolizaron en un grado mayor cuando la
concentración de ácido se incrementa, es decir que está en relación con la
concentración del HCl.
Los productos finales de la degradación del almidón en las bioceldas no
pudieron ser analizados debido a que el equipo que se requiere, CG-Masas, se
encontró malogrado. Sin embargo, Betancur &Chel, 1997, propone quelos
productos finales al tratar el almidón con HCl son aldehídos.
En ese orden de ideas, se sugiere que las reacciones que se producen en este
proceso pueden ser divididos en 2 estapas: (i) La primera, una reacción de
hidrólisis con compuestos terminales de tipo aldehído y (ii) La segunda, una
reacción de oxidación-reducción de los aldehídos.
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3.3 Relación agua/ almidón:
Se realizaron ensayos para determinar la influencia de relación agua/ almidón
sobre las reacciones que tienen lugar en las biocledas. Las condiciones bajo las
que se realizó este ensayo fueron:
Tabla III - 7 Parámetros de las biocleldas para determinar la influencia de la relación agua /almidón
N° de
celda
Almidón (g) Agua destilada(mL) [HCl]*
M Derecha Izquierda Derecha Izquierda
1 0.5 0.5 40 40
9x10-3
2 0.5 0.5 55 55
3 0.5 0.5 75 75
4 0.5 0.5 80 80
* En cada celda la adición del HCl es solo a una semi-celda.
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Los resultados del ensayo se muestran a continuación:
Tabla III - 8Resultados de la generación de voltaje a diferentes relaciones agua/almidón
Tiempo
(h)
Voltaje (mV)
Relación agua(mL)/almidón(mL)
80/1 110/1 150/1 160/1
0 14.1 30.1 27.3 18
0.25 45.3 52.1 22 14
2 49.7 30 25.5 21.4
7.5 44.6 33.7 34.9 23
11 53.1 45.1 48.1 39.5
25.25 32.6 29.5 33.3 21.2
28.5 38.2 31.9 41.4 22.4
33 31.6 24.2 35.7 15.6
34.5 32.9 24.9 37.6 27.2
55 45.6 46.7 70 47.3
57 26.5 30.8 68.9 52.1
61 33 33.9 65.1 50.1
76 42.8 30.5 48.4 44.3
78 32 27.5 51.1 32.7
100 35.1 31.2 50.5 33.6
104 37.9 32.9 52.4 32.5
124.5 38.6 47.4 62.4 36.1
131 31.8 39.1 75.3 32.3
149.5 73.2 45 50 36
153.5 44.1 41.6 61.2 29.1
156 33.1 46.3 59.1 60.1
163.5 50.5 55.1 51.2 42.1
179.5 53 40 45 25
200 52.5 45.6 46.5 39.6
202.5 50.4 47.4 43.6 38.6
222 54.6 59.6 68.1 42.3
226 51.3 67.4 53.6 36.2
245.5 43.5 54.3 89.3 43.9
Los ensayos de relación agua/ almidónque se muestran en la Fig. 13 y Tabla
III-8; muestran en general en todos los casos una tendencia de aumentar la
generación de energíacon el tiempo de reacción.Las relaciones agua/ almidón
80/1 y 110/1 presentan un comportamiento similar en el tiempo, pero la relación
agua/ almidón 150/1 genera los mayores voltajes; mientras que en la relación
160/1 se registran los valores más bajos de voltaje. Es decir que la generación de
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energía se incrementa en la dilución del sistema hasta un máximo de 150/1 y
posteriormente disminuye.Este comportamiento estaría relacionado con el
potencial del H+ que se genera.
Fig. 13 - Generación de energía a diferentes relaciones agua/ almidón
Desde Agua/Almidón :80/1 hasta 160/1 y a una concentración de HCl de 9.0 x10-3
M
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250
Vo
ltaj
e
(mV
)
Tiempo (h)
Relacion agua/almidon
80 agua/almidon 110 agua/almidon 150 agua/almidon 160 agua/almidon
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3.4Influencia de la temperatura.
Se realizaron tres ensayos, bajo las siguientes condiciones:
Tabla III - 9 Parámetros de las biocleldas para determinar la influencia de la Temperatura
N° de
ensayo
Temperatura
(°C)
Almidón (g) Agua
destilada(mL) [HCl]*
M Derecha Izquierda Derecha Izquierda
1 30 0.5 0.5 80 80
9x10-3
2 35 0.5 0.5 80 80
3 41 0.5 0.5 80 80
* En cada celda la adición del HCl es solo a una semi-celda.
Tabla III - 10 Resultados de la generación de voltaje a diferentes Temperaturas
1er Ensayo
30°C
2do Ensayo
35°C
3er Ensayo
41°C
Tiempo(h) Voltaje(mV) Tiempo(h) Voltaje(mV) Tiempo(h) Voltaje(mV)
0 6.7 0 53 0 89.7
1 1.9 1 52 1 83.2
2 4.3 2 61 2 82
3 9.7 6.15 121 3 96
4 9.5 7.15 121.5 4 111
5.3 23 8.15 125 5 111.5
6.25 23.2 9.15 130 17 103
7 23 21.15 150.2 18 120
19 59.8 22.15 140.5 19 130
20 53.3 23.15 132.7 20 139
20.4 63 24.15 132 21 146
21.15 78 25.15 115 22 156
25.15 84.5 26.15 105 23 160
26.3 83.4 24 157
27.49 80.7 26 166
29.29 81.2 28 170
30.09 74.6
Los resultados presentados en la Tabla III-10 y Fig. 14.; muestran que:
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1.- En las 10 primeras horas:En general la generación de voltaje se incrementa
linealmente con el aumento de la temperatura. En el caso de temperaturas de 35
y 41ºC, no hay diferencia significativa en la generación de energía, pero el
rendimiento es mayor que las obtenidas a 30 °C.
2.- De las 15 horas en adelante: Los resultados muestrancomportamientos
diferentes: para los ensayos realizados a 30°C se mantiene la tendencia
ascendente de generación de energía, alcanzando hasta 80 mv a las 30h de
reacción. En las celdas a 35°C, la generación de energía empieza a disminuir
drásticamente a partir de las 21 h. Mientras que aquellas a 41°C tiende a seguir
incrementando la energía hasta alcanzar 170 mv.
Fig. 14 - Generación de energía en las celdas de almidón, usando temperaturas de 30,35 y 41°C; 0.5g de almidón y HCl de concentración 9.0 x10-3M
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 5 10 15 20 25 30 35
Vo
ltaj
e (
mV
)
Tiempo (h)
Temperatura
30 °C
35°C
41 °C
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Teniendo en cuenta que la generación de energía por el proceso de óxido-
reducción es relativamente proporcional a la degradación de la cadena de
almidón:
a) A 35°C se nota dos etapas bien diferencias, una inicial de comportamiento
rápido y otra lenta. Este comportamiento concuerda con el reportado por:
Miao, et al, 2011; quien en su investigación de la hidrolisis acida del
almidón ceroso de maíz, con HCl 2,2 N a 35 º C, diferencia dos etapas: una
inicial rápida debido a la hidrólisis de las zonas amorfas del almidón y una
segunda fase más lenta por la hidrólisis de las zonas cristalinas.
De acuerdo con el trabajo de Miao et al ,2011,el incremento de la
generación de energía en una primera etapase debe alataque de las zonas
amorfas, para luego en una segunda etapa disminuirdebido a que el ataque a
las zonas cristalinas es más lento. Esta referencia concuerda con la Fig. 14,
pues al observar el comportamiento de las celdas a 35ºC, se nota claramente
como en las primeras horas la generación de voltaje aumenta rápidamente es
decir se da lugar a la hidrolisis rápida cuyo ataque es preferentemente a las
zonas amorfas del granulo, produciéndose así una fuerte erosión del
almidón, los mismos que tienden a romperse. Por ello a partir del tiempo de
reacción de las 21h en adelante; se aprecia una caída significativa en la
generación del voltaje; debido a que estaría produciéndose lo que Miao, et
al, 2011 llama la fase lenta de la hidrolisis cuyo ataque es preferentemente a
las zonas cristalinas del granulo.
Así mismo Miao, et al, 2011; menciona dos hipótesis acerca de la hidrólisis
más lenta de las partes cristalinas del gránulo de almidón. En primer lugar,
la alta densidad de las cadenas de almidón dentro de los cristalitos de
almidón no permite fácilmente la penetración de H3O+en las regiones.
Segundo, la hidrolisis acida de los enlaces glucósidos puede requerir un
cambio en la formación (de silla a media silla) de la unidad de D-
glucopiranosil (Hoover, 2000). En consecuencia, las regiones amorfas de los
gránulos de almidón son preferentemente degradados durante el proceso de
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hidrólisis ácida ya que la organización de las moléculas en esta zona es más
desordenada. (Gérard et al, 2002.; Robin et al., 1974).Esta hipótesis sugiere
que las regiones amorfas se encuentran principalmente en la parte de núcleo
de los gránulos de almidón o distribuidos alternativamente en las regiones
cristalinas.
b) A 41°C la generación de energía mantiene una tendencia ascendente y se
registra mayores valores de voltaje debido probablemente a que a esta
temperatura se facilita la difusión del ácido en los gránulos de almidón
(Lin&Mei, 2006); así mismotiene mayor Energía de Activación (EA) para
romper la zona cristalina del almidón con similar velocidad que se hace en la
zona amorfay/o el mecanismo podría ser diferente al propuesto por Miao, et
al, 2011; quien identifica dos etapas de hidrolisis: una rápida y otra lenta.
c) A 30°C hay un aumento lento de energía pero constante en el tiempo. En
este caso posiblemente el mecanismo de penetración del ácido a las zonas
cristalinas es similar al propuesto por Lin&Mei, 2006; quien al realizar la
modificación acida del almidón de maíz a diferentes temperaturas cita que:
Las velocidades de hidrolisis se deben principalmente a la difusión del ácido
a través de las cavidades internas del granulo de almidón, esta difusión está
relacionada de manera proporcional al aumento de temperatura. De tal
manera que al elevar la temperatura de reacción se estaría facilitando la
difusión del ácido en los gránulos de almidón de maíz y también aumentaría
la reactividad del enlace glicosídico. Es así que a 25 º C el ácido sólo podría
difundirse dentro de las regiones amorfas cerca de la superficie, el canal y las
cavidades centrales del almidón de maíz. Mientras que aproximadamente a
45ºC el ácido se difunde en casi todas las regiones amorfas de los gránulos
de almidón en muy poco tiempo. Por lo tanto, para este estudio, a 30°C la
difusión del ácido sería en la región principalmente amorfa y muy lenta en
las zonas cristalinas, con lo cual la degradación es lenta y en consecuencia
también lo es la generación de energía.
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3.5 Tiempo de vida útil.
Los ensayos se realizaron bajo las siguientes condiciones iniciales:
Tabla III - 11 Parámetros de las biocleldas para determinar el tiempo de vida útil
N° de
ensayo
Temperatura
(°C)
Almidón (g) Agua
destilada(mL)*** [HCl]*
M Derecha Izquierda Derecha Izquierda
1 26.4** 0.5 0.5 80 80 9x10-3
* En cada celda la adición del HCl es solo a una semi-celda.;
* *Temperatura ambiente promedio según la estación en la que se realizó los ensayos (verano);
*** Después de 14 días de reacción se adiciono 70 mL de agua al sistema.
Los resultados que se presentan en la gráfica de la Fig. 15 y en la Tabla del
anexo (Ver Anexo 2)muestran que la generación de energía se incrementa
linealmente en el tiempo hasta las 338 horas (14 días) de reacción,
alcanzando los 214mV. Sin embargo, por la evaporación de la solución en
las bioceldas a lo largo del ensayo, se adicionó70mL más de agua
destilada;ello, al contrario de lo que se esperaba, no permitió recuperar la
tendencia inicial, posiblemente porque parte del HCltambién se evaporó o
ya se había consumido por las reacciones, y en consecuencia la adición del
agua destilada provocó una muy baja concentración de HCl en el sistema.
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Fig. 15 - Comportamiento de las bioceldas de almidón en la generación de voltaje durante 26 días de reacción
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
Vo
ltaj
e (
mV
)
Tiempo (h)
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CAPÍTULO IV
CONCLUSIONES
En el trabajo de investigación titulado:‖ Obtención de energía eléctrica a partir del
almidón: Influencia de la concentración de HCl, Temperatura y Sustrato”,
desarrollado en el laboratorio de Catálisis, Absorbentes y Materiales se llega a las
siguientes conclusiones:
1. Es posible obtener energía eléctrica en una sola etapa utilizando bioceldas de
almidón con HCl.
2. El proceso está regulado principalmente por la concentración de HCl, el cual
influye favorablemente en la hidrólisis del almidón, tendiendo el sistema a
estabilizarse con concentraciones de HCl altas.
3. Las temperaturas del orden de 41 °C favorecen la generación de energía.
4. Se determinó que el tiempo de vida útil del sistema es de 338 horas (14 días) y el
mayor voltaje registrado es de 214.0 mV.
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CAPÍTULO V
RECOMENDACIONES
1. Realizar un estudio utilizando otras membranas.
2. Activar el sistema con catalizadores solidos ácidos o con enzimas.
3. Investigar la influencia del desgaste de los electrodos, en la medición de voltaje
generado por las bioceldas de almidón.
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CAPÍTULO VI
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ANEXOS
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ANEXO 1. Modelodeorganizacióndel gránulo de almidón. La figura muestrauna
imagende un gránulo dealmidón de guisantedespués de2 díasdehidrólisis ácida (Wang
et al., 2012: 1947)
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ANEXO 2. Tabla de Resultados de la generación de voltaje durante 26 días de
reacción
Fecha Hora Temp
agua tiempo Voltaje(mV)
25-feb
5.30 am 26.5ºC 0 80.3
9.00 am 27.0 ºC 3.5 69.4
11.00 am 30.5 ºC 5.5 72.6
1.00 pm 32.0 ºC 7.5 80.8
3.00 pm 31.5 ºC 9.5 80.2
11.00 pm 26.0 ºC 17.5 70.3
26-feb
7.00 am 24.0 ºC 25.5 70.8
10:00 a.m. 28.0 ºC 28.5 73.8
11.30 pm 25.5 ºC 42 87.6
27-feb
9.00 am 26.5 ºC 51.5 89.3
12.00 m 30.5 ºC 54.5 90.2
2.00 pm 30.5 ºC 56.5 90.0
4.30 pm 30.5 ºC 59 90.0
9.00 pm 26.5 ºC 63.5 102.1
28-feb
6.00 am 23.0 ºC 72.5 90.0
4.30 pm 30.0 ºC 83 103.9
7.00 pm 29.0 ºC 85.5 105.2
29-feb
8.00 am 24.0 ºC 98.5 112.6
6.00 pm 30.0 ºC 108.5 104.2
9.00 pm 27.0 ºC 111.5 101.7
01-mar
8.30 am 26.0 ºC 123 92.5
12 m 31.5 ºC 126.5 101.4
5.00 pm 31.0 ºC 131.5 119.8
9.00 pm 28.0 ºC 135.5 132.6
02-mar
8.00 am 25.0 ºC 146.5 111.1
7.00 pm 30.0 ºC 157.5 88.1
9.00 pm 28.0 ºC 159.5 90.8
03-mar
5.30 am 24.0 ºC 168 112.2
8.00 am 24.5 ºC 170.5 111.6
10.30 pm 28.0 ºC 185 115.1
04-mar 5.30 am 24.0 ºC 192 114.4
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8.30 am 24.0 ºC 195 110.9
10.00 pm 27.0 ºC 208.5 108.6
05-mar
5.30 am 24.0 ºC 216 107.8
5.00 pm 32.5 ºC 227.5 116.8
11:00 p.m. 27.0 ºC 233.5 118.5
06-mar 11.00 pm 27.5 ºC 257.5 129.7
07-mar 6.30 am 24.0 ºC 265 132.7
10.30 am 27.5 ºC 269 138.4
08-mar 11.00 pm 27.0 ºC 305.5 154.8
09-mar 6.00 am 24.0 ºC 312.5 159.2
10-mar
8.00 am 25.0 ºC 338.5 214.0
11.00 am 28.0 ºC 341.5 112.3
11.30 am 28.0 ºC 342 106.2
6.00 pm 30.0 ºC 348.5 38.1
11-mar 7.30 am 24.0 ºC 362 37.9
10:00 p.m. 26.5 ºC 376.5 31.4
12-mar
7.00 am 24.0 ºC 385.5 30.6
5.00 pm 30.5 ºC 395.5 29.7
7.00 pm 30.0 ºC 397.5 72.9
13-mar 6.30 am 24.0 ºC 409 69.1
11.00 pm 27.0 ºC 425.5 63.0
14-mar 8.00 am 24.5 ºC 434.5 59.3
4.00 pm 32.5 ºC 442.5 17.1
15-mar 6.30 am 24.0 ºC 457 25.9
19-mar 10.00 pm 27.0 ºC 568.5 39.7
20-mar 8.30 am 29.5 ºC 579 41.9
9.00 pm 28.0 ºC 591.5 43.8
21-mar 7.00 am 24.0 ºC 601.5 40.1
5.00 pm 29.0 ºC 611.5 48.1
22-mar 6.30 am 24.0 ºC 625 41.0
23-mar 8.00 am 27.0 ºC 650.5 26.4
24-mar 7.30 am 25.0 ºC 674 25.9
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