2 Obtencion de Etanol Mediante Hidrolisis Alcalina, Enzimatica y Fermentacion A Partir Del Excedente Organico Del Banano Variedad Musa Paradisiaca

 

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA CARRE RA DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA QUÍMICA

OBTENCIÓN DE ETANOL MEDIANTE HIDRÓLISIS ALCALINA, ENZIMÁTICA Y FERMENTACIÓN A PARTIR DEL EXCEDENTE ORGÁNICO DEL BANANO VARIEDAD MUSA PARADISIACA

TESIS DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIER INGENIERO O QUÍMICO

AUTOR:: FAUSTO JAVIER AUTOR JAVIER ESPINOSA CAJAS CAJAS

TUTOR: ING. ANA ESTHER MACHADO CAMPOVERDE

QUITO

2013 i

 

APROBA APR OBACIÓ CIÓN N DEL TUT TUTOR OR

En calidad de tutor, luego del estudio estudio y análisis realizado sobre la tesis de grado presentado por el Señor FAUSTO FAUSTO JAVIER ESPINOSA ESPINOSA CAJAS que titula titula OBTENCIÓN OBTENCIÓN DE ETANOL ETANOL MEDIANTE HIDRÓLISIS ALCALINA, ENZIMÁTICA Y FERMENTACIÓN A PARTIR DEL EXCEDENTE ORGÁNICO DEL BANANO VARIEDAD  MUSA PARADISIACA, sobre el particular informo que la tesis tiene valor académico académico y utiliza conocimientos de la Ingeniería Química que han resuelto el problema y los objetivos planteados, por lo que declaro mi conformidad con el mismo. En la ciudad ciudad de Quito, Quito, a los 09 días del mes de abril abril de 2013. 2013.

Ing. Ana Machado C. Tutora

ii

 

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA IINTELECTUAL NTELECTUAL

Yo, FAUSTO JAVIER ESPINOSA CAJAS CAJAS en calidad de autor de la tesis tesis realizada sobre la OBTENCIÓN DE ETANOL MEDIANTE HIDRÓLISIS ALCALINA, ENZIMÁTICA Y FERMENTACIÓN A PARTIR DEL EXCEDENTE ORGÁNICO DEL BANANO VARIEDAD MUSA PARADISIACA, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento. Quito Quito 09 de ab abril ril de 20 2013 13

Fausto Fau sto Javier Javier Espinos Espinosaa Cajas Cajas C.C: 171530137-8  [email protected]

iii

 

A mis padres, con todo cariño.

iv

 

AGRADECIMIENTOS Mis sinceros sinceros agradecimien agradecimientos tos a: Mis padres y hermanos, por su apoyo incondicional y paciencia brindada a lo largo de los años de estudió durante mi vida universitaria. A la Ingeniera Ana Machado, tutora de mi trabajo de grado, por su valiosa cooperación con su su guía y conocimiento para el desarrollo de éste trabajo. A los Ingenieros Ingenieros Jorge Medina y Diego Chulde por las facilidades facilidades brindadas brindadas para desarroll desarrollar ar mi trabajo en el laboratorio del área de biotecnología de la Facultad de Ingeniería Química. A mis maestros, que han colaborado en en mi formación académica en el transcurso de mi vida estudiantil. A mis compañeros, amigas amigas y amigos, por el tiempo y experiencias compartidas que hicieron memorable el recorrido académico que concluyo.

F. Javier Javier Espino Espinosa sa C.

v

 

CONTENIDO

pág.

LISTA LIS TA DE TABLA TABLASS ________ ___________ _______ _______ _______ _______ _______ _________ _________ _______ _______ ________ _______ ______ ___

x

LISTA DE FIGURAS FIGURAS ______________ _____________________ ______________ _________________ _________________ _______________ __________ xiii LISTA LIS TA DE GRÁFICO GRÁFICOSS _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ _________ _________ _______ _______ _______ _______ ____ xiv LISTA DE ANEXOS_________________ ANEXOS________________________ ______________ _________________ __________________ ______________ ______ xv RESUMEN________ RESUM EN_______________ ______________ ______________ _________________ _________________ _______________ _______________ _________ __ xvi ABSTRACT____________ ABSTR ACT___________________ ______________ _________________ _________________ ______________ ______________ ____________ _____ xvii INTROD INT RODUCC UCCIÓN IÓN _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

1

1. MARC MARCO O TEÓR TEÓRIC ICO O __ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ _____ _____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____ ____

3

1.1. 1.1. Cicl Cicloo del dióx dióxid idoo de ca carbo rbono no __ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ ______ _____ ____ _____ _____ ____ __

3

1.2. 1.2. Planta Planta de de bana banano no __ ____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ ______ _____ ____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____

4

1.2.1.   Aspectos botánicos y de cultivo del banano_______________________ banano________________________________ _________

5

1.2.2.   Manejo de los res residuos iduos del banano ___________________________________ ______________________________________ ___

5

1.2.3.   Composición química de los residuos del banano banano___________________________ ___________________________

6

1.2.4.   Constituyentes de los residuos lignocelulósicos del banano ___________________

7

1.2.4.1.   Celulosa ________________________________ _________________________________________________________ _________________________

7

1.2.4.2.   Hemicelulosa______________________________________________________

7

1.2.4.3.   Lignina __________________________________________________________ 1.2.4.4.   Otras sustancias __________________________________________ ___________________________________________________ _________

8 9

1.3.. Azúcar 1.3 Azúcares es reduct reductores__ ores______ ________ _______ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ _______ _______ ________ ______ 10 1.4.. Hidróli 1.4 Hidrólisis sis _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ _________ _________ _______ _______ _______ _______ ________ _______ _____ 11 1.4.1.   Hidrólisis alcalina de rresiduos ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ 11 esiduos biomásicos __ 1.4.1.1.   Factores que afectan a la hidrólisis alcalina _____________________________

12

1.5. 1.5. En Enzi zimas mas _____ _______ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ __ 13 1.5.1.   Mecanismos de reacción _________________________________________ ______________________________________________ _____ 14 1.5.2.   Cofactores _________________________________________________________ 14 1.5.3.   Rasgos ccaracterísticos aracterísticos de las enzimas como catalizadores__________________ catalizadores____________________ __ 15 1.5.4.   Centro Activo ________________________________ _______________________ vi

15

 

1.5.5.   Enzimas celulasas ___________________________________________________ ____________________________________ _______________ 16 1.5.6.   Actividad enzimática ________________________________ _________________________________________________ _________________ 17 1.5.7.   Factores que afectan la actividad enzimática ______________________________

17

1.5.7.1.   Efecto del pH______ pH________________________________ ________________________________________________ ______________________

17

1.5.7.2.   Efecto de la temperatura ________________________________ _____________________________________________ _____________ 18 1.6. 1.6. Hi Hidró drólis lisis is enzi enzimá mátic ticaa de residu residuos os celu celulós lósic icos os _____ _______ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ __ 19 1.6.1.   Cinética enzimática ________________________________ __________________________________________________ __________________ 20 1.6.2.   Complejo enzima-sustrato ________________________________ _____________________________________________ _____________ 21 1.7.. Fermen 1.7 Fermentac tación ión _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __ 22 1.7.1.   Concepto bioquímico ________________________________ ________________ 22 1.7.2.   Concepto microbiológico microbiológico_______________________________ ______________________________________________ _______________

23

1.7.3.   Clasificación _______________________________________________________ 23 1.7.3.1. Los productos finales de la fermentación _________________________________

23

1.7.3.2. El oxígeno en el proces proceso o de fermentación ________________________________

24

1.7.4.   Ferme Fermentación ntación alcohól alcohólica ica

_______ ______________ ______________ _______________ __________________ _______________ _____

24

1.7.5.   Mecanismo de reacción y balance energético _____________________________

25

1.7.6.   Limitaciones del proceso ________________________________ _____________________________________________ _____________ 27 1.7.6.1. Concentración de etanol resultante _____________________________________ 27 1.7.6.2. Acidez del sustrato __________________________________________________ 27 1.7.6.3. Concentración de azúcares ________________________________ ____________ 27 1.7.6.4. Contacto con el aire _________________________________________________ 27 1.7.6.5. La temperatura _____________________________________________________ 27 1.7.6.6. Ritmo de crecimiento de las cepas ______________________________________

28

1.7.6.7. Selección del microorganismo fermentador _______________________________

28

1.7.7.   Saccharomyces Cerevisiae_______________________ Cerevisiae_____________________________________________ ______________________

28

1.8.. Destila 1.8 Destilació ciónn ________ ___________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___ 29 1.9.. Producc 1.9 Producción ión de bioeta bioetanol nol _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ ________ _______ ___ 29 1.9.1.   Bioetanol de segunda generación ___________________________ _______________________________________ ____________ 30 1.9.2.   Ventajas del bioetanol de segunda generación con respecto al de primera _______ 31 1.9.3.   Desventajas del bioetanol de segunda generación generación con respecto al de primera ____ 31 2. MARC MARCO O EXPE EXPERI RIME MENT NTAL AL _____ ________ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ ____ __ 32 2.1. Diseño Diseño experimental experimental para la hidrólisis hidrólisis alcalina alcalina y enzimátic enzimáticaa de los desechos desechos de plátan plátano. o. _______ __________ _______ ________ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ ________ _______ ___ 32 2.2.. Diagra 2.2 Diagrama ma de flujo flujo _______ __________ _______ ________ _______ _______ _______ ________ ________ _______ _______ _______ _______ ______ ___ 34 2.3.. Materi 2.3 Materiale aless y equipos equipos _______ ___________ ________ _______ _______ _______ _______ _________ _________ _______ _______ ________ ______ __ 35 vii

 

2.3.1.   Hidrólisis alcalina con NaOH _______________________________ __________________________________________ ___________ 35 2.3.2.   Determinación de lignina ________________________________ _____________________________________________ _____________ 35 2.3.3.   Hidrólisis enzimática ________________________________ _________________________________________________ _________________ 35 2.3.4.   Determinación de azúcares reductores ___________________________________ 35 2.3.5.   Fermentación ________________________________ _______________________

36

2.4.. Sustan 2.4 Sustancia ciass y reactiv reactivos os _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ _______ _______ ________ ______ __ 36 2.4.1.   Hidrólisis alcalina con NaOH _______________________________ __________________________________________ ___________ 36 2.4.2.   Determinación de lignina ________________________________ _____________________________________________ _____________ 37 2.4.3.   Hidrólisis enzimática ________________________________ _________________________________________________ _________________ 37 2.4.4.   Determinación de azúcares reductores ___________________________________ 37 2.4.5.   Fermentación ________________________________ _______________________

37

2.5.. Procedi 2.5 Procedimie miento nto _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ _________ _________ _______ _______ _______ _______ ________ ____ 37 2.5.1.   Hidrólisis alcalina con NaOH _______________________________ __________________________________________ ___________ 37 2.5.2.   Determinación de lignina ________________________________ _____________________________________________ _____________ 38 2.5.2.1.   Extraccion de los solubles en alcohol be benceno_____ nceno____________________________ _______________________

38

2.5.2.2.   Eliminacion de los compuestos solubles en agua ccaliente aliente __________ ___________________ _________ 38 2.5.2.3.   Determinación del contenido de lignina insoluble en ác ácido ido __________________ 38 2.5.3.   Hidrólisis enzimática de la celulosa ____________ __________________________________ _________________________ ___ 38 2.5.4.   Determinación de azúcares reductores ___________________________________ 39 2.5.5.   Fermentación ________________________________ _______________________

39

2.6. 2.6. Pa Parte rte expe experim rimen enta tall __ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ 40 2.6.1.   Cuantificación de lignina en el sustrato de los residuos biomásicos de plátano,  previo a la hidrólisis alcalina. ________________________________________________ ______________________________________ __________

40

2.6.2.   Resultados de la hidrólisis alcalina _______________________________ ______________________________________ _______ 41 2.6.3.   Cuantificación de lignina posterior a la hidrólisis alc alcalina alina ___________________ 41   Resultados de la hidrólisis enzimática enzimática________________________________ ____________________________________ ____

2.6.4. 2.6.5.   Fermentación alcohólica y destilación _______________ ___________________________________ ____________________

42 44

3. CÁLCUL CÁLCULOS OS Y RESUL RESULTA TADO DOSS _____ _______ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ __ 45 3.1.. Cálcul 3.1 Cálculoo del porcent porcentaje aje de lignina lignina _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ ____ 45 3.2.. Cálcul 3.2 Cálculoo del del valor valor medio medio del porcent porcentaje aje de lignina lignina _______ __________ _______ ________ _______ _______ _______ ___ 45 3.3.. Cálcul 3.3 Cálculoo de la ecua ecuació ciónn experim experiment ental al del del proces procesoo de hidról hidrólisis isis enzimá enzimátic ticaa _______ __________ ___ 46 3.3.1.   Muestra 4 __________________________________________________________ 46 3.3.2.   Muestra 7 __________________________________________________________ 49 3.3.3.   Muestra 13 _________________________________________________________ 51 3.3.4.   Muestra 16 _________________________________________________________ 53 viii

 

3.3.5.   Muestra 22 _________________________________________________________ 55 3.3.6.   Muestra 25 _________________________________________________________ 57 3.3.7.   Muestra 26 _________________________________________________________ 59 3.3.8.   Muestra 28 _________________________________________________________ 61 3.3.9.   Muestra 34 _________________________________________________________ 63 3.3.10.   Muestra 35 ________________________________ _______________________

65

3.3.11.   Muestra 40 ________________________________ ________________________

67

3.3.12.   Muestra 43 ________________________________ ________________________

69

3.4.. Ecuaci 3.4 Ecuacione oness ciné cinétic ticas as experim experiment entale aless represe representa ntativa tivass de la hidrólis hidrólisis is enzimá enzimática tica ____ 71 3.5.. Cálcul 3.5 Cálculoo del del rendimi rendimient entoo de alc alcohol ohol obtenido obtenido _______ __________ _______ ________ _______ _______ _______ _______ ____ 72 3.5.1.   Cálculo para la muestra 4, re rendimiento ndimiento de alcohol __________________________ 72 3.6. 3.6. An Anál ális isis is est estad adís ístic ticoo ANOV ANOVA A co conn varia variable bless de la la hidról hidrólis isis is alc alcal alina ina __ _____ _____ _____ _____ ____ __ 73 3.7.. Resulta 3.7 Resultados dos del anális análisis is esta estadís dístico tico ANOVA ANOVA para hidrólis hidrólisis is alc alcalin alina___ a_______ ________ _______ _____ 73 3.8. 3.8. An Anál ális isis is est estad adís ístic ticoo ANOV ANOVA A co conn varia variable bless de la la hidr hidróli ólisi siss enz enzimá imátic ticaa __ ____ _____ _____ ____ __ 74 3.9.. Resulta 3.9 Resultados dos del anális análisis is es estadí tadísti stico co ANOVA ANOVA para hidrólis hidrólisis is enzimá enzimática tica _______ __________ _____ __ 75 4. DISCUSIÓ DISCUSIÓN N ________ ___________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___ 77 5. CONCLU CONCLUSION SIONES ES _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ______ ___ 80 6. RECO RECOME MEND NDACI ACION ONES ES __ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ _____ ______ _____ ____ _____ _____ _____ _____ ____ 82 CITAS CIT AS BIBLIOGR BIBLIOGRÁFIC ÁFICAS AS _______ __________ _______ ________ _______ _______ _______ ________ ________ _______ _______ _______ ______ __ 84 BIBLIO BIB LIOGRAF GRAFÍA ÍA _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___ 86 ANEXOS ANE XOS _______ ___________ ________ _______ _______ _______ _______ _________ _________ _______ _______ _______ _______ ________ _______ _______ ______ 87

ix

 

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Análisis proximal de los residuos del cultivo del banano, base seca 100 g_______ g___________ ________ _______ _______ _______ _______ _________ _________ _______ _______ ________ _______ _______ _______ _______ _________ _____

6

Tabla 2. Cantidad Cantidad de lignina lignina en el sustrato, sustrato, previo previo a la hidrólisi hidrólisiss alcalina alcalina con NaOH, NaO H, para para 1 g de muestra muestra _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ _______ _______ ________ ______ __

40

Tabla Tab la 3. Resul Resultad tados os de la hidró hidrólis lisis is alcali alcalina na con con NaOH, NaOH, para desli deslignif gnifica icación ción _______ __________ ___ 41 Tabla Tab la 4. Resulta Resultado do de lignina lignina y celulos celulosa, a, posteri posterior or a la hidróli hidrólisis sis alc alcalin alinaa con NaOH, NaO H, para 1 g de muestra.______ muestra._________ _______ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ____ 41 Tabla 5. Resultados de azúcares reductores, posterior a la hidrólisis enzimática co conn celul celulas asas as,, (por (por 48 48 ho hora rass a 55 55 °C °C,, para para 10 10 g ddee mues muestra tra en 50 50 mL de agu agua) a) __ _____ _____ _____ ___ 42 Tabla 6. Resultados Resultados de la fermentación fermentación alcohólica alcohólica y destilación, destilación, a temperatura temperatura de 37 °C, pH pH de 4,5, 4,5, tiemp tiempoo de 72 horas horas con una una conc concent entrac ración ión de 2 % de lev levadu adura ra a 45 mL de volume volumenn de fer ferment mentaci ación. ón. ________ ___________ _______ _______ _______ _______ _______ _________ _____ 44 Tabla Tab la 7. Porce Porcenta ntaje je de lign lignina ina desp después ués de de la hidro hidrolis lisis is alca alcalina lina con NaOH NaOH _______ ___________ ______ __

45

Tabla Tab la 8. Grado Gradoss Brix Brix mayore mayoress a 13 des después pués de la hidrolis hidrolisis is enzi enzimát mática ica.. _______ ___________ _______ _____

46

Tabla 9. Grados Brix en función del tiempo tiempo durante la hidrolisis hidrolisis enzimática enzimática paraa la muestra par muestra 4. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

46

Tabla 10. Linealización Linealización de la ecuación experimental de la hidrólisis enzimática de la muest muestra ra 4. ________ ___________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___ Tabla 11. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática

48

paraa la muestra par muestra 7. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

49

Tabla 12. Linealiza Linealización ción de la ecuación ecuación experimental experimental de la hidrólisis hidrólisis enzimática enzimática de la muest muestra ra 7. ________ ___________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

50

Tabla 13. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática paraa la muestra par muestra 13. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

51

Tabla 14. Linealización de la ecuación experimental de la hidrólisis enzimática de la muest muestra ra 13. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

52

Tabla 15. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática paraa la muestra par muestra 16. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __ x

53

 

Tabla 16. Linealiza Linealización ción de la ecuación experimen experimental tal de la hidrólisis hidrólisis enzimática enzimática de la muest muestra ra 16. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

54

Tabla 17. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática paraa la muestra par muestra 22. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

55

Tabla 18. Linealización de la ecuación experimental de la hidrólisis enzimática de la muest muestra ra 22. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

56

Tabla 19. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática paraa la muestra par muestra 25. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

57

Tabla 20. Linealizació Linealizaciónn de la ecuación ecuación experimental experimental de la hidrólisis enzimática enzimática de la muest muestra ra 25. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

58

Tabla 21. Grados Brix en en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática enzimática paraa la muestra par muestra 26. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

59

Tabla 22. Linealización de la ecuación experimental de la hidrólisis enzimática de la muest muestra ra 26. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

60

Tabla 23. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática paraa la muestra par muestra 28 _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

61

Tabla 24. Linealización de la ecuación experimental de la hidrólisis enzimática de la muest muestra ra 28. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

62

Tabla 25. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática paraa la muestra par muestra 34. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

63

Tabla 26. Linealización de la ecuación experimental de la hidrólisis enzimática de la muest muestra ra 34. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

64

Tabla 27. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática paraa la muestra par muestra 35. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

65

Tabla 28. Linealización de la ecuación experimental de la hidrólisis enzimática de la muestra muestra 35. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___ Tabla 29. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática

66

paraa la muestra par muestra 40. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

67

Tabla 30. Linealiza Linealización ción de la ecuación ecuación experimental experimental de la hidrólisis enzimática enzimática de la muest muestra ra 40. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

68

Tabla 31. Grados Brix en función del tiempo durante la hidrolisis enzimática paraa la muestra par muestra 43. _______ ___________ _______ _______ _______ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ ________ _______ _____ __

69

Tabla 32. Linealización de la ecuación experimental de la hidrólisis enzimática de la muest muestra ra 43. _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ ___

70

Tabla 33. Resultados Resultados de las ecuaciones cinéticas experimentales de la hidrólisis enzimática con los máximos rendimientos_____ enzimática rendimientos____________ ______________ ______________ _________________ _____________ ___ 71 Tabla Tab la 34. 34. Rendimi Rendimient entoo de alco alcohol hol para para las las difere diferente ntess muestr muestras as ____ _______ _______ ________ _______ _______ ____ 72 xi

 

Tabla 35. Análisis Análisis estadístico estadístico ANOVA de la hidrólisis hidrólisis alcalina alcalina con NaOH _____________ _____________ 73 Tabla 36. 36. Resultado Resultado del análisis análisis estadístico estadístico ANOVA ANOVA y Prueba F para la hidroli hidr olisis sis alcalina alcalina conNaOH conNaOH _______ __________ _______ ________ _______ _______ _______ ________ ________ _______ _______ _______ ______ __

73

Tabla Tab la 37. Anál Análisis isis esta estadís dístico tico ANOV ANOVA A de la hidrólis hidrólisis is enzimát enzimática ica.. _______ ___________ _______ _______ ______

74

Tabla 38. Resultado del análisis estadístico ANOVA y Prueba F para la hidroli hidr olisis sis enzimát enzimática ica.. ________ ___________ _______ _______ _______ _______ _______ _________ _________ _______ _______ ________ _______ ______ ___

xii

75

 

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura Fig ura 1. Ciclo Ciclo del del dióxido dióxido de car carbon bonoo _______ __________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ ____

4

Figura Fig ura 2. 2. Esquem Esquemaa de la la planta planta de de banan bananoo _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ _________ _________ ______

5

Figura Fig ura 3. Estru Estructu ctura ra de la celulo celulosa sa y enlac enlacee formado_ formado_____ _______ _______ ________ _______ _______ _______ _______ ______

7

Figura Fig ura 4. 4. Segmen Segmento to de estr estruct uctura ura plan planaa de hemicel hemicelulos ulosa__ a______ _______ _______ _______ _______ ________ _______ _____

8

Figura Fig ura 5. Estruc Estructura tura de la lig lignina nina _______ __________ _______ ________ _______ _______ _______ ________ ________ ______ _______ ______ __

9

Figura 6. Prueba de Fehling ______________ _____________________ ______________ _________________ _________________ ____________ _____ 10 Figura 7. Esquema de las reacciones químicas en la hidrólisis alcalina de la lignina.. _______ lignina __________ _______ ________ _______ _______ _______ ________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ _______ _______ _________ _____ 12 Figura Fig ura 8. Inhibic Inhibición ión enzimá enzimática tica _______ ___________ ________ _______ _______ _______ _______ _________ _________ _______ _______ ______ __ 14 Figura Fig ura 9. 9. Mecani Mecanismo smo de de hidrólis hidrólisis is enzim enzimátic áticaa de la celu celulos losaa _______ __________ _______ ________ _______ ______ ___ 16 Figura Fig ura 10. 10. Efecto Efecto de de pH en la act activid ividad ad enzimá enzimática tica _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ______ __ 18 Figura Fig ura 11. 11. Efecto Efecto de la tempe temperatu ratura ra en la activ activida idadd enzimáti enzimática ca _______ ___________ ________ _______ _______ ____ 19 Figura Fig ura 12. Formación Formación del complejo complejo enzimaenzima-sus sustrat tratoo _______ ___________ _______ _______ ________ _______ _______ ______ __ 22 Figura Fig ura 13. 13. Mecan Mecanismo ismo de reacc reacción ión de la ferment fermentaci ación ón alcoh alcohólic ólicaa _______ __________ _______ _______ ______ ___ 26 Figura 14. Diseño experimental para la hidrólisis alcalina y enzimática de los residuo residuoss orgánic orgánicos os del banano. banano. ________ ___________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ _____ 33 Figura 15. Diagrama Diagrama de flujo del proceso proceso de obtención obtención de etanol mediante mediante hidrólisis alcalina, enzimática y fermentación a partir del excedente orgánico del banano ban ano _______ __________ _______ ________ _______ _______ _______ ________ ________ _______ _______ _______ _______ _______ _______ _______ _________ _____ 34

xiii

 

LISTA DE GRÁFICOS

pág.

Gráfic Grá ficoo 1. °Brix °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para para la la hidról hidrólisi isiss enzimát enzimática ica de de la muest muestra ra 4. _______ __________ _____ __ 47 Gráfic Grá ficoo 2. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln f(ln(S)) (S)) para para la hidrólis hidrólisis is enzi enzimát mática ica la mues muestra tra 4. 4. _______ ___________ ______ __ 48 Gráfic Grá ficoo 3. °Brix °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para para la la hidról hidrólisis isis enzimát enzimática ica de de la muestr muestraa 7. _______ __________ _____ __ 49 Gráfic Grá ficoo 4. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln f(ln(S)) (S)) para para la hidrólis hidrólisis is enzi enzimát mática ica la mues muestra tra 7. _______ ___________ ______ __ 50 Gráfic Grá ficoo 5. °Brix °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para la hidró hidrólis lisis is enzi enzimáti mática ca de de la muestr muestraa 13. 13. _______ __________ _____ 51 Gráfic Grá ficoo 6. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln f(ln(S)) (S)) para para la hidrólis hidrólisis is enzi enzimát mática ica la mues muestra tra 13. _______ __________ _____ __ 52 Gráfic Grá ficoo 7. °Brix °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para para la la hidról hidrólisis isis enzimát enzimática ica de de la muestr muestraa 16. _______ __________ _____ 53 Gráfic Grá ficoo 8. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln f(ln(S)) (S)) para para la hidrólis hidrólisis is enzi enzimát mática ica la mues muestra tra 16. _______ __________ _____ __ 54 Gráficoo 9. °Brix Gráfic °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para la hidró hidrólis lisis is enzi enzimáti mática ca de de la muestra muestra 22. _______ __________ _____ 55 Gráfic Grá ficoo 10. Ln Ln(-dS (-dS/dt) /dt) = f(ln(S f(ln(S)) )) para la hidró hidrólis lisis is enzi enzimát mática ica la muest muestra ra 22. _______ __________ _____ 56 Gráfic Grá ficoo 11. °Brix °Brix = f(Tiemp f(Tiempo), o), para para la hidró hidrólis lisis is enzim enzimátic áticaa de la muestra muestra 25. _______ __________ ___ 57 Gráfic Grá ficoo 12. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln(S)) f(ln(S)) para la hidróli hidrólisis sis enzi enzimát mática ica la la muestra muestra 25. 25. _______ __________ _____ 58 Gráfic Grá ficoo 13. °Brix °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para para la la hidróli hidrólisis sis enzim enzimátic áticaa de la mues muestra tra 26. 26. _______ __________ ___ 59 Gráfic Grá ficoo 14. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln(S)) f(ln(S)) para la hidróli hidrólisis sis enzi enzimát mática ica la la muestra muestra 26. 26. _______ __________ _____ 60 Gráfic Grá ficoo 15. °Brix °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para para la la hidróli hidrólisis sis enzim enzimátic áticaa de la mues muestra tra 28. 28. _______ __________ ___ 61 Gráfic Grá ficoo 16. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln(S)) f(ln(S)) para la hidróli hidrólisis sis enzi enzimát mática ica la la muestra muestra 28. 28. _______ __________ _____ 62 Gráfic Grá ficoo 17. °Brix °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para para la la hidróli hidrólisis sis enzim enzimátic áticaa de la mues muestra tra 34. 34. _______ __________ ___ 63 Gráfic Grá ficoo 18. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln(S)) f(ln(S)) para la hidróli hidrólisis sis enzi enzimát mática ica la la muestra muestra 34. 34. _______ __________ _____ 64 Gráficoo 19. °Brix Gráfic °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para para la la hidróli hidrólisis sis enzim enzimátic áticaa de la mues muestra tra 35. 35. _______ __________ ___ 65 Gráfic Grá ficoo 20. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln(S)) f(ln(S)) para la hidróli hidrólisis sis enzi enzimát mática ica la la muestra muestra 35. 35. _______ __________ _____ 66 Gráfic Grá ficoo 21. °Brix °Brix = f(Tiem f(Tiempo), po), para para la la hidróli hidrólisis sis enzim enzimátic áticaa de la mues muestra tra 40. 40. _______ __________ ___ 67 Gráfic Grá ficoo 22. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln(S)) f(ln(S)) para la hidróli hidrólisis sis enzi enzimát mática ica la la muestra muestra 40. 40. _______ __________ _____ 68 Gráfic Grá ficoo 23. °Brix °Brix = f(Tiemp f(Tiempo), o), para para la hidró hidrólis lisis is enzim enzimátic áticaa de la muestra muestra 43. _______ __________ ___ 69 Gráfic Grá ficoo 24. Ln(-d Ln(-dS/dt S/dt)) = f(ln(S)) f(ln(S)) para la hidróli hidrólisis sis enzi enzimát mática ica la la muestra muestra 43. 43. _______ __________ _____ 70

xiv

 

LISTA DE ANEXOS

pág.

ANEXO A. Análisis de lignina, celulosa y hemicelulosa del sustrato sustrato inicial de los residuo residuoss biomásicos biomásicos del banano. banano. _______ ___________ ________ _______ _______ _______ _______ _________ _________ _______ _____ 88 ANEXO B. Resultados Resultados de los análisis análisis de contenido contenido de azucar posterior posterior a la hidrólisis hidróli sis enzimática_____ enzimática____________ ______________ ______________ _________________ __________________ _______________ ___________ ____ 89 ANEXO C. Análisis Análisis estadístico estadístico para la hidrólisis hidrólisis alcalina alcalina _______________ ______________________ __________ ___ 82 ANEXO D. Análisis Análisis estadístico estadístico para la la hidrólisis hidrólisis enzimátic enzimáticaa ______________ _____________________ _________ __ 95 ANEXO ANE XO E. Regist Registro ro fotográ fotográfic ficoo ________ ___________ _______ _______ _______ ________ _______ ________ _________ ________ _______ ___ 98

xv

 

OBTENCIÓN DE ETANOL MEDIANTE HIDRÓLISIS ALCALINA, ENZIMÁTICA Y FERMENTACIÓN A PARTIR DEL EXCEDENTE ORGÁNICO DEL BANANO VARIEDAD MUSA PARADISIACA

RESUMEN

Obtención Obtenc ión de etanol a partir partir del excede excedente nte orgánico orgánico del banano banano variedad variedad Musa Paradisi Paradisiaca, aca, mediante media nte hidrólisis hidrólisis alcalina, alcalina, hidrólisis hidrólisis enzimática enzimática y posterior posterior fermentación. fermentación. El residuo residuo biomás biomásico ico se someti sometióó a hidróli hidrólisis sis alc alcalin alinaa ccon on NaOH NaOH a tres concen concentrac tracione iones: s: 1,5; 1,5; 2 y 2,5 mol/L mol/L,, y a tres tempera temperatura turas: s: 50, 70 70 y 90 °C en un determ determina inado do tiempo tiempo para prov provoca ocarr la exposición expos ición y libre acceso acceso a la celulosa celulosa.. Para la la hidrólisis hidrólisis enzimática enzimática que se realiza realiza a continuación se descartaron varias muestras por pérdida excesiva de celulosa y las las restantes se hidrolizaron usando hidrolizaron usando enzimas enzimas Celulasas Celulasas a tres concentraci concentraciones: ones: 1,5; 1,5; 2 y 3% p/p y a tres pH: 5; 5,5 y 6. Los Los azúcares azúcares reductores reductores obtenidos obtenidos se fermentaro fermentaronn usando usando Saccharomyce Saccharomycess Cerevisiae Cerevisiae para obtener alcohol etílico. Se conclu concluyó yó que las mejores mejores condic condicione ioness corresp correspond onden en a una concen concentra tració ciónn de hidróxido hidróxido de sodio sod io de de 2 mol/L, mol/L, tempera temperatura tura de 70 °C, concen concentrac tración ión de enzim enzimaa del del 2 % y pH 5, 5, a las las cuale cualess se obtiene obtiene un rendimiento rendimiento de etanol etanol del del 39,36%.

PALABRAS CLAVES:  /BIOMASA / RESIDUOS AGRÍCOLAS / BANANO / HIDRÓLISIS ALCALINA / HI HIDRÓLISIS EN ENZIMÁTICA / FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA /  ALCOHO AL COHOL L ETÍLICO ETÍLICO / MUSA MUSA PARADISI PARADISIACA/  ACA/ 

xvi

 

ETHANOL PRODUCTION THROUGH ALKALINE HYDROLYSIS, ENZIME AND FERMENTATION WITH AN ORGANIC BANANA VARIETY SURPLUS CALLED MUSA PARADISIACA

ABSTRACT

Getting excess ethanol ethanol from organic banana Musa variety Paradise, by alkaline hydrolysis, enzymatic hydrolysis and subsequent fermentation. Biomásico residue was subjected to alkaline hydrolysis with NaOH at three concentrations: 1.5, 2 and 2.5 mol / L, and three temperatures: 50, 70 and 90 ° C in a determined time and exposure to cause free access to cellulose. For the enzymatic hydrolysis is performed following several samples were discarded by excessive loss of the remaining cellulose and cellulase enzymes were hydrolyzed using three concentrations: 1.5, 2 and 3% p / p and three pH: 5; 5.5 June. Reducing sugars obtained were fermented using Saccharomyces cerevisiae for ethanol. It was concluded that the best conditions are for a sodium hydroxide concentration of 2 mol / L, 70 ° C, enzyme concentration of 2% and pH 5, to which a yield of 39.36% of ethanol .

KEY WORDS:  /BIOMASS RESIDUE / ALKALINE HYDROLYSIS / ENZYMATIC HYDROL HYD ROLYSIS YSIS / FERMENTA FERMENTATIO TION N / ETHANO ETHANOL L / MUSA PARADISIA PARADISIACA CA

xvii

 

INTRODUCCIÓN

El Ecuador, siendo un prominente productor de banano, tanto para consumo local como para exportación, genera gran cantidad excedentes biomásicos, producto de su cultivo y de su comercialización interna, los mismos que son lignocelulósicos (ricos en lignina, celulosa y hemicelulosa), constituyendo así un recurso no explotado en la producción de etanol.Una planta de banano al momento de su cosecha debe tener un peso promedio de 100 kg los cuales están repartidos en 15 kg de hojas, 50 kg de pseudotallo, 33 kg de banano y 2 kg de raquis. Esto Esto lógicamente indica que el 67% de la masa total de producción lo constituyen los desechos que no son aprovechados constituyendo así un recurso no explotado en la producción de etanol. El alto consumo de combustibles de fuentes no renovables, como lo son los combustibles fósiles, su alto costo, su agotamiento, su creciente dependencia y sobre todo su contribución a la contaminación ambiental han influido para la búsqueda de recursos alternativos como la biomasa, que es un producto biodegradable, libre de azufre y algo muy importante es que como el carbono en su cadena es de origen vegetal, al ser liberado durante la combustión no contribuye en el balance neto de producción de dióxido de carbono, ya que fue captado previamente por las plantas durante su crecimiento. Es decir, el CO2 forma parte de un flujo de circulación natural entre la atmósfera y la vegetación por lo que no representa un incremento en las emisiones de CO2. Sin contribuir al efecto de calentamiento global. Esta investigación marca un punto de partida partida en busca de una fuente alternativa de energía de gran importancia para el desarrollo energético del Ecuador, Ecuador, mediante la obtención de etanol a partir del excedente orgánico del banano, mediante hidrólisis básica y enzimática y posterior fermentación, debido a que ayudaría a terminar con la dependencia dependencia de combustibles fósiles, ademáss aportará ademá aportará a la conservación conservación del medio ambiente, ambiente, dando una mejor disposición disposición final a desechos orgánicos, generar focos de investigación acerca del tema y fuentes de trabajo asociadas a la temática, lo que justifica completamente el desarrollo de ésta investigación y deja abiertas las puertas para desarrollar investigaciones relacionadas, pero con la gran variedad de biomasaa que se genera en la industria y en el diario vivir de la ciudada biomas ciudadanía nía ecuatoriana. ecuatoriana.

1

 

El desarrollo desarrollo de la presente presente tesis de grado, grado, brindará brindará la información información necesa necesaria ria para para el proceso proceso de obtención de etanol a partir de residuos biomásicos del banano, reduciendo el consumo de reactivos y de energía, de modo de acercarse cada vez más a un proceso que sea económica y energéticamente factible, con lo que el uso de etanol de segunda generación como combustible sea una actividad actividad factible factible y lucrativa. lucrativa.

2

 

1. MARCO TEÓRI TEÓRICO CO

1.1. Ciclo del dió dióxido xido de carb carbono ono El ciclo del carbono carbono son las transformaciones químicas de compuestos que contienen carbono en los intercambios entre biosfera, atmósfera, hidrosfera y litosfera. Es un ciclo de gran importancia para la supervivencia de los seres vivos en nuestro planeta, debido a que de él depende la producción de materia orgánica que es el alimento básico y fundamental de todo ser vivo. El carbono es un componente esencial para los vegetales y animales. Interviene en la fotosíntesis bajo la forma de CO 2 (dióxido de carbono) o de H2CO3 (ácido carbónico), tal como se encuentran en la atmósfera. Forma parte de compuestos como: la glucosa, carbohidrato fundamental para la realización de procesos como la respiración y la alimentación de los seres vivos, y del cual se derivan sucesivamente la mayoría de los demás alimentos. La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO 2 que los seres vivos puedan asimilar, es está tá en la atmós atmósfera fera y la hidros hidrosfer fera. a. Este Este gas en la atmós atmósfera fera está está en una una concen concentrac tración ión de más más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO 2 se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se regenera en la atmósfera cada 21 años.

La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración, los seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles. Los productos finales de la combustión son CO 2 y vapor de agua. El equilibrio en la producción y consumo de cada uno de ellos ellos por medio de la fotosíntesis hace posible la vida. Los vegetales verdes que contienen clorofila toman el CO 2 del aire y durante la fotosíntesis liberan oxígeno, ademáss producen el material nutritivo ademá nutritivo indispensable indispensable para los seres vivos.

3

 

Como todas las plantas verdes de la tierra ejecutan ejecutan ese mismo proceso diariamente, no es posible siquiera imaginar la cantidad de CO2 empleada en la fotosíntesis. En la medida de que el CO2 es consumido por las plantas, también es remplazado por medio de la respiración de los seres vivos, por la descomposición de la materia orgánica y como producto final de combustión del petróleo, hulla, gasolina, etc. En el ciclo del carbono participan los seres vivos y muchos fenómenos naturales como los incendios. Los seres vivos acuáticos toman el CO 2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la que tiene en el aire.[1]

Figuraa 1. Ciclo ddel Figur el dió dióxido xido ddee carbo carbono no 1.2. Plant Plantaa de ba banano nano El banano es una planta monocotiledónea, esto es, al germinar germinar la semilla se produce en ella un solo cotiledón, el banano pertenece al orden de los ZINZIBERALES, familia Musaceae y género Musa.[2]

4

 

1.2.1.  Aspectos botánicos bot ánicos y de cultivo del banano. La planta de banano está conformada por raíz, pseudotallo, raquis, hojas, racimo, e inflorescencia como se describe en la Figura 2.

Figura 2. Esquema de la planta de banano.

La planta es herbácea perenne gigante, con rizoma corto y tallo aparente, que resulta de la unión de las vainas foliares, cónico y de 3,5-7,5 m de altura, terminado en una corona de hojas. Existen por lo general de siete a nueve hojas grandes y bien desarrolladas antes de que la inflorescencia y el tallo comiencen a crecer. Las hojas son enormes, alargadas y ovales, con nervios abundantes y paralelos, es decir casi en ángulo recto con el nervio central. Mucho antes de que aparezca la inflorescencia van muriendo sucesivamente las hojas más viejas. Los pecíolos se secan y se doblan y la hoja encogida cuelga hacia abajo ocultando a menudo el pseudotallo. Algunos campesinos estiman que las hojas secas prestan protección y sombra al falso tallo (pseudotallo). El verdadero tallo es un rizoma grande, almidonoso, subterráneo, que está coronado con yemas; éstas se desarrollan una vez que la planta ha florecido y fructificado. A medida que cada chupón del rizoma alcanza la madurez, su yema terminal se convierte en una inflorescencia al ser empujada hacia arriba desde el interior del sue suelo lo por el alargamiento del tallo, hasta que emerge arriba del pseudotallo. Cuando un pseudotallo ha producido el racimo de fruto, ya no vale para nada más, por lo que generalmente se corta y trocea para agregarlo como abono al terreno.

1.2.2.  Manejo de los residuos de banano. En el Ecuador se han realizado varios trabajos de investigación y adaptación de tecnologías para la utilización de residuos del cultivo del banano, como es la producción de pre-humus utilizando microorganismos y abono orgánico conocido 5

 

como Bokashi, fermentando los residuos con microorganismos eficaces, tecnología desarrollado por el doctor Teruo Higa, profesor de agricultura de la Universidad de Ryukyus en Japón. Hojas y pseudotallos de banano son fuentes de forraje muy útiles en muchos países tropicales, sobretodo en la época seca. Se pueden triturar y distribuir frescos o se pueden ensilar. El contenido en proteína y minerales es bajo, por lo cual el uso requiere suministrarlos con ingredientes ricos en proteína. En Ecuador existe la manufactura de productos elaborados artesanalmente de residuos de banano tales como papel de raquis de banano, cajas ecológicas. Ecuador es un país bananero que posee alrededor de 180 mil hectáreas de plantaciones de banano, lo que nos da una perspectiva de la producción de biomasa que se desperdicia o que se malusa como humus o forraje de mala calidad.

1.2.3. Composición química de los residuos del cultivo de banano . A continuación se presenta el análisis proximal de los residuos r esiduos del cultivo de banano en base seca.

Tabla 1. Anális Análisis is proxim proximal al de los resid residuos uos del cu cultivo ltivo de ban banano, ano, bas basee seca (100 g)

Hojas (%)

Pseudotallo (%)

Raquis y cascara (%)

Humedad

8,40

10,00

8,70

Cenizas

16,10

28,30

23,10

Extracto Etéreo

2,30

9,60

1,50

Proteína cruda

12,30

5,30

3,30

Fibra cruda

34,20

35,30

53,90

Análisis

Fuente: Palacios, A. 2007. “Utilización de residuos agroindustriales de la costa en la obtención de setas Pleurotusostreatusvar florida y Pleurotuspulmonariusvar florida”. flori da”. Tesis Ing, Alim.

Universidad Técnica de Ambato-FCIAL, Ecuador. p.93.

6

 

1.2.4. Constituyentes de los residuos lignocelulósicos del banano. A continuación se describen las partes conformantes de los residuos residuos lignocelulósicos del banano, según los resultados del análisis realizado, que se muestran en el ANEXO ANEXO A.

1.2.4.1. Celulosa. La celulosa que es el biopolímero de D-glucosa, es el material orgánico más abundante sobre la corteza terrestre. La celulosa es además la forma más común de encontrar el carbono de la biomasa. Las plantas sintetizan la celulosa como material estructural para soportar su peso. Las moléculas largas de celulosa llamadas microfibrillas, forman haces por los puentes de hidrógeno que se crean entre los numerosos grupos – OH OH de los anillos de glucosa. [3] En la celulosa las unidades de D-glucosa están unidas por enlaces glicosídicos β-1,4, disposición bastante rígida y muy estable. En la Figura 3, se muestra una estructura parcial de la celulosa. La La longitud del polímero es altamente variable variable y dependiente del organismo del cual la celulosa haya sido obtenida, así como de la edad y estado metabólico al momento de la extracción.

Figura 3. Estructura de la celulosa y enlace formado. Fuente:: TAIZ, Lincoln Fuente Lincoln y ZEIGER ZEIGER,, Eduardo. Eduardo. Fisiología Fisiología vegetal vegetal 1. Universita Universitatt Jaume I. 2006. 2006. p 49. Se consideran dos tipos de celulosa: la nativa o cristalina, caracterizada por un alto grado de cristalinidad u ordenamiento y de polimerización, resultando así insoluble (ej.: avicel, fibras de algodón, papel de filtro, etc.); y la celulosa modificada, la cual resulta soluble como la celulosa amorfa, carboximetilcelulosa, celooligosacáridos, en las cuales el grado de cristalinidad y el grado de polimerización es menor.

1.2.4.2.  Hemicelulosa. En contraste con la celulosa, la cual es cristalina, fuerte y resistente a la hidrólisis, las hemicelulosas son estructuras aleatorias, amorfas con pequeña solidez, 7

 

fácilmente hidrolizables en ácidos o bases diluidas. Las hemicelulosas son polímeros de diversas hexosas y pentosas, principalmente D-xilosa, L-arabinosa, D-manosa, D-glucosa, Dgalactosa, y ácido D-galacturónico, que aparecen en las paredes celulares en forma amorfa. La mayoría de las hemicelulosas se presentan como heteropolisacáridos, poseen una especie de columna vertebral formada por una cadena plana de azúcares unidos casi siempre por enlaces β-1,4

(de menor longitud que la de celulosa), ver Figura 4. De la que pueden salir

ramificaciones muy cortas, generalmente de un solo azúcar de longitud. Se clasifican usualmente de acuerdo a los azúcares residuales presentes. Los tipos y cantidades de hemicelulosa presentes en las paredes de las maderas de angiospermas y coníferas son diferentes.[4]

Figura 4. Segmento de estructura plana de hemicelulosa. Fuente: TAIZ, Lincoln Lincoln y ZEIGER, ZEIGER, Eduardo. Fisiología vegetal. 1. Universidad Jaume I. 2006. p. 50. 50. Las hemicelulos hemicelulosas as cubren y unen a las microfibrillas microfibrillas de celulosa celulosa en una matriz común. La corta extensión de las cadenas incrementa la solubilidad de las hemielulosas y la posición expuesta de las mismas en la superficie superficie de las microfibrilla microfibrillas, s, explicaría explicaría por qué este polímero polímero está entre los primeros componentes de la pared celular atacados por los hongos causantes de pudrición.

1.2.4.3.  Lignina. La lignina es el polímero aromático no polisacárido más abundante de la naturaleza. Es un compuesto insoluble en agua y amorfo, de alto peso molecular, y de forma tridimensional. En la Figura 5, se puede observar su estructura. La lignina imparte resistencia a la degradación microbiana de la madera. La íntima asociación espacial existente entre los polisacáridos y la lignina dentro de las paredes celulares de la madera provee una barrera protectora que impide la degradación de la celulosa. [5]

8

 

Figura 5. Estructura de la lignina. Fuente:: TAIZ, Lincoln Fuente Lincoln y ZEIGER, Eduardo. Eduardo. Fisiología Fisiología vegetal. vegetal. 1. Universitat Universitat Jaume I. 2006. p.51. Una vez que la lignina que rodea a las fibrillas de celulosa es removida o modificada, la celulosa resulta más accesible a las enzimas microbianas y puede ser eficientemente degradada. Así, la lignificación en muchas plantas puede ser un mecanismo de resistencia a las enfermedades y se produce como un mecanismo de defensa hacia los hongos patógenos o en respuesta a heridas. Debido a su estructura la lignina es altamente altamente resistente a la degradación. Hasta el momento los únicos organismos capaces de mineralizarla eficientemente llevándola a CO 2 y H 2O como productos finales son los hongos causantes de pudrición blanca. Estos hongos en su mayoría pertenecen a los órdenes de  Aphyllophorales y Agaricales.

1.2.4.4. Otras sustancias. No forman parte de la estructura de la pared vegetal, y la mayoría son solubles en solventes neutros. neutros. Los componentes solubles en solventes neutros, representan entre el 4-10% del peso seco de la madera. Hay una gran variedad de compuestos orgánicos, grasas, ceras, alcaloides, proteínas, fenoles simples y complejos, azúcares simples, pectinas, 9

 

mucílagos, gomas, resinas, terpenos, etc. Actúan como intermediarios metabólicos, reserva de energía o parte de los mecanismos de defensa contra los ataques microbianos. Contribuyen al color, olor y resistencia al marchitamiento. Las cenizas, son residuos inorgánicos que permanecen después de quemar la biomasa a altas temperaturas, suelen ser menos del 2% de peso seco de los residuos lignocelulósicos.

1.3.. Azu 1.3 Azucar cares es red reduct uctore oress Azúcares reductores son aquellos que, como la glucosa, fructosa, lactosa y maltosa presentan un carbono libre en su estructura y pueden reducir, en determinadas condiciones, a las sales cúpricas. Los monosacáridos y la mayoría de los disacáridos poseen poder reductor, que deben al grupo carbonilo que tienen en su molécula. Este carácter reductor puede ponerse de manifiesto por medio de una reacción redox llevada a cabo entre ellos y el sulfato de Cobre (II). Las soluciones de esta sal tienen color azul. Tras la reacción con el glúcido reductor se forma óxido de Cobre (I) de color rojo. De este modo, el cambio de color indica que se ha producido la citada reacción y que, por lo tanto, el glúcido presente es reductor. •

Figuraa 6. Prueba de Fehlin Figur Fehlingg

Los azúcares o carbohidratos pueden ser monosacáridos, disacáridos, trisacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Los monosacáridos reacc reaccionan ionan de acuerdo a los grupos hidroxilo 10

 

y carbonilo que poseen. poseen. Los disacáridos disacáridos y los polisacárid polisacáridos os se pueden hidrolizar hidrolizar para producir producir monosacáridos. Los azúcares que dan resultados positivos con con las soluciones de Tollens, Benedictó, Fehling se conocen como azúcares reductores, y todos los carbohidratos que contienen un grupo hemiacetal o hemicetal dan pruebas positivas. Los carbohidratos que solo contienen grupos acetal o cetal no dan pruebas positivas posit ivas con estas soluciones y se llaman azúcares nnoo reductores.

1.4. Hidr Hidrólisis ólisis Es un tipo de reacción química en la que una molécula de agua, con fórmula H 2O, reacciona reacciona con una molécula de una sustancia AB, en la que A y B representan átomos o grupos de átomos. En la reacción, la molécula de agua se descompone en los fragmentos H + y OH -, y la molécula AB se descompone en A+ y B-. A continuación, continuación, estos estos fragmentos fragmentos se unen proporciona proporcionando ndo los productos finales AOH y HB. A este tipo de reacción se le conoce a menudo como doble descomposición o intercambio. De interés especial es la hidrólisis de diversas sales que originan disoluciones ácidas o básicas. En química orgánica, una reacción de hidratación es una adición de agua o sus elementos H y OH a una especie química. [6]

1.4.1.  Hidrólisis alcalina de residuos biomásicos. Es la adición de bases diluidas a la biomasa y su eficiencia depende del contenido de lignina de los materiales. El hidróxido de sodio diluido produce un hinchamiento, permitiendo un incremento en el área de superficie interna reduciendo el grado de polimerización y cristalinidad de la celulosa, causando la separación de las uniones estructurales entre la lignina y los carbohidratos. El mecanismo de la hidrólisis alcalina de la biomasa parece estar basada en la saponificación de los enlaces ésteres intramoleculares que unen los xilanos de la hemicelulosa y otros componentes, como por ejemplo la lignina u otros componentes de la hemicelulosa. La efectividad de este pretratamiento depende del contenido de lignina del material a tratar. La literatura reporta que la digestibilidad de las maderas duras tratadas con NaOH aumenta de un 14% a un 55% con una remoción de lignina del 24-55%, con un contenido inicial del 20%. Para maderas blandas (contenido de lignina mayor al 26%) el método no es tan efectivo. La disolución de la lignina empieza con la ruptura de los enlaces α-arileter y arilgliceron-β-arileter, fragmentando la lignina. 11

 

La ruptura de los enlaces comienza con la protonación de grupos hidroxilo o éter en el carbono α

de un monómero dando lugar a la formación del correspondiente ácido conjugado, esta

especie puede progresar la ruptura ruptur a de los enlaces α y β o condensarse en otros monómeros. Se conocen tres mecanismos según la progresión del ácido conjugado: a) En el equilibrio ión oxonio de estructura quinónica correspondiente, cuya estabilidad supone la ruptura irreversible del enlace α-arileter. Además al presentar un exceso de carga en el carbono α pueden experimentar una adición nucleofilica de una molécula de agua o alcohol. b) También puede ocurrir una sustitución nucleofilica por una molécula de agua o alcohol que produzca la ruptura del enlace. c) O incluso el ácido conjugad conjugadoo puede romperse romperse directamente directamente por el enlace α-arileter y formar un carbocatión.

Figura 7. Esquema de las reacciones qu químicas ímicas en la hidrólisis alcalina de la lignina

1.4.1.1. Factores que afectan la hidrólisis alcalina. El modelado de la hidrólisis de un polímero es complicado, los factores que intervienen están estrechamente relacionados con los materiales lignocelulósicos como lo es tamaño, forma de partículas, y el tipo de estructura si es proveniente de maderas blandas o duras, de la misma manera intervienen las condiciones de la extracción, así la concentración del álcali, la temperatura, el tiempo, la agitación, se debe tener especial 12

 

cuidado cuida do con la cantidad de material, material, el contacto contacto interfacial, interfacial, la interferencia interferencia con otros compuestos.

1.5.. Enz 1.5 Enzima imass Las enzimas son una gran y única clase de moléculas proteicas que actúan como catalizadores biológicos, al biológicos, al catalizar catalizar todas las reacciones reacciones del metabolismo metabolismo celular, celular, y proporcionar proporcionar los los medios para que se realicen funciones complejas tales como la síntesis síntesis de material genético, de polímeros estructurales y de otras sustancias. La Lass enzi enzima mass co cons nsis iste tenn en cade cadenas nas de LL-am amino inoác ácido idoss unido unidoss co cova vale lent ntem emen ente te en una secue secuenc ncia ia de defi fini nida da,, de deno nomi mina nada da es estr truc uctu tura ra prim primar aria ia,, y en enro roll llad ados os en form formaa co comp mple leja ja,, en un unaa estr estruc uctu tura ra zwit zwitte teri rión ónic icaa y co conn un ce cent ntro ro acti activo vo,, fo form rmad adoo po porr re rela lati tiva vame ment ntee poco pocoss amin aminoá oáci cido doss qu quee son son lo loss re resp spon onsa sabl bles es di dire rect ctos os de la un unió iónn con con el sust sustra rato to y que que ca cata tali liza zann la reac reacci ción ón ca cara ract cter erís ísti tica ca de ca cada da tipo tipo parti particu cula larr de en enzi zima ma.. Como todos todos los catalizadore catalizadores, s, las enzimas enzimas funciona funcionann disminuyendo disminuyendo la la energía energía de activaci activación ón (ΔG‡)

de una reacción, de forma que se acelera sustancialmente sustancialmente la tasa de reacción. reacción. Las

enzimas no alteran el balance energético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, el equilibrio de la reacción, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de veces. Una reacción que se produce bajo el control control de una enzima, o de un catalizador en general, general, alcanza el equilibrio equilibrio mucho mucho más rápido que la correspondi correspondiente ente reacción reacción no cataliza catalizada. da. Al igual que que ocurre con otros catalizadores, las enzimas enzim as no son consumidas por las rreacciones eacciones que catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin embargo, las enzimas enzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas. La actividad actividad de las enzimas enzimas puede ser ser afectada por otras otras moléculas. moléculas. Los inhibidores inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o impiden la actividad de las enzimas, enzimas, mientras que los activadores son moléculas que incrementan dicha actividad. Igualmente, la actividad es afectada afecta da por la la temperatura, temperatura, el pH, la concentració concentraciónn de la propia enzima y del sustrato, sustrato, y otros otros factores físico-químicos.

13

 

Figuraa 8. Inhib Figur Inhibición ición enzi enzimátic mática. a. 1.5.1.  Mecanismos de reacción. Las enzimas pueden actuar de diversas formas, aunque, como se verá a continuación, siempre dando lugar a una disminución del valor de [ ΔG‡] reducción de la energía de activación. Reduciendo la energía del estado de transición, sin afectar la forma de dell sustrato, mediante la creación de un ambiente con una distribución de carga óptima para que se genere dicho estado de transición. Proporcionando una ruta alternativa. Por ejemplo, reaccionando temporalmente con el sustrato para formar un complejo intermedio enzima/sustrato (ES), que no sería factible en ausencia de enzima. Reduciendo la variación de entropía necesaria para alcanzar el estado de transición (energía de activación) de la reacción mediante la acción de orientar correctamente los sustratos, favoreciendo así que se produzca dicha reacción. Incrementando la velocidad de la enzima mediante un aumento aumento de temperatura. El incremento de temperatura facilita la acción de la enzima y permite que se incremente su velocidad de reacción. Sin embargo, si la temperatura se eleva demasiado, la conformación estructural de la enzima puede verse afectada, reduciendo así su velocidad velocidad de reacción, y sólo recuperando su actividad óptima cuando la temperatura se reduce. No obstante, algunas enzimas son termolábiles y trabajan mejor a bajas temperaturas. todass las las enz enzimas imas son capac apaces es de ac actu tuaar sola olas, y muc muchas has requ requie iere renn de la 1.5.2. Cofactores. No toda pre ressenc nciia de cofa faccto tore ress no pro rote teic icoos para que su activ ivid idaad cata talí líti ticca se man manifi ifieste. Tale less co cofa fact ctore ores, s, que so sonn en realid realidad ad co cosu sust stra ratos tos po porqu rquee ex expe perim rimen enta tann una tra trans nsfo forma rmaci ción ón quími química ca du dura rante nte la reac reacci ción ón,, in incl cluy uyen en desd desdee ion iones es me metá tálic licos os si simpl mples es hast hastaa moléc molécula ulass org orgán ánica icas. s. 14

 

1.5.3.  Rasgos característicos de las enzimas como catalizadores. Los enzimas son ca catali talizad zadore oress muy potentes potentes en cuatro cuatro aspect aspectos: os:

-

Son muy muy ef efica icace cess cata cataliz lizan ando do reac reacci cion ones es fre frecu cuen ente temen mente te 10 1088 – 1011 1 011 ve vece cess más más rápi rápida dass qu quee los ca cata taliz lizad adore oress no enzim enzimát átic icos os corre corresp spon ondie diente ntes. s. Esta Estass ve veloc locida idade dess puede puedenn alcanz alcanzar arse se inclus inc lusoo au aunq nque ue las las reacc reaccio ione ness ca cata taliz lizad adas as por enzima enzimass requ requie iera rann co cond ndic icion iones es mucho mucho menos menos extr extreemas mas de temp tempeeratu ratura ra,, pH y pre presión sión,, y las las re reac acccio ione ness se prod produz uzca cann en el solve olvent ntee más más ba bara rato, to, se segu guro ro y ab abund undan ante te,, el ag agua ua..

-

El ra rang ngoo de las las re reac acccione ioness cata catali lizzadas das es extr extreemada madame ment ntee ampli mplio, o, pudi pudiééndos ndosee cata catali lizzar much mu chos os más tipos tipos de reac reacci cion ones es que que con con los cata cataliz lizad adore oress qu quími ímico cos. s.

-

Las enz nzim imaas son muy espe peccíf ífiicas en cuanto nto al ti tipo po de rea reacción cata talliz izaada, da, la lass enzim imaas pu pued eden en ser ser espe especí cífi fica cass pa para ra la lass es estr truc uctu tura rass de dell su sust stra rato to y los los prod produc ucto toss form formad ados os,, lo qu quee da lug lugar a rend rendim imie ient ntos os más más al alto toss y pote potenc ncia ialm lmen ente te a meno menoss conta ontami mina nant ntes es prod produc ucid idos os por por re reaacciones latera rale less. Esta espec pecif ifiicid idaad es im imppre ressio ionnante pue uessto que la mayoría ría de las molé mo lécculas ulas de sus ustr traato ti tieenen nen pote potenc ncia ialm lmeente nte vari variaas pos posib ibil ilid idad adees reac reacti tiva vass y se debe debe a la capac pacida dadd de la enzim nzimaa pa para ra unirs irse al sustr traato y orga rganizar los grup rupos rea reacti tivvos para que favorez fav orezcan can particu particularm larment entee un es estad tadoo de transic transición ión espec específic ífico. o.

-

Las Las en enzi zima mass está estánn su suje jeta tass na natu tura ralm lmen ente te a un nú núme mero ro de co cont ntro role less un ta tant ntoo gros groser eros os,, co como mo el de la ve velo loci cida dadd de sínt síntes esis is y de degr grad adac ació ión, n, po porr ej ejem empl plo, o, mode modela land ndoo su ac acti tivi vida dadd po porr la un unió iónn a pequ pequeeñas ñas molé molécu cula lass modi modifi ficcadora dorass que que pued puedeen aume umenta ntar o dis disminu minuir ir la acti activi vida dadd de las las enzimas.

1.5.4. Cen Centro tro Act Activo ivo.

Casi todas las enzimas son mucho más grandes que los sustratos sobre los que actúan, y solo una pequeña parte de la enzima (alrededor de tres a cuatro aminoácidos) está directamente involucrada en la catálisis. La región que contiene estos residuos encargados de catalizar la reacción es denominada centro activo. El sitio o centro activo activo es la zona zona de la enzima a la que se une el sustrato para ser catalizado. La estructura tridimensional de éste es lo que determina la especificidad de las enzimas. En el sitio activo sólo puede entrar un determinado sustrato sustrato (ni siquiera sus isómeros).

15

 

1.5.5.  Enzimas celulasas. Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos. Como catalizadores, las enzimas actúan en pequeña cantidad. No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución. consecución. Las condiciones de uso de la hidrólisis enzimática son suaves suaves (pH 4,8 y temperatura entre entre 45-50 °C). Las enzimas celulasas son proteínas derivadas de los procesos naturales de fermentación, capaces de degradar la celulosa. En realidad una enzima de celulasas es una mezcla de diversos componentes enzimáticos, formando lo que se denomina un “complejo enzimático”, que actúa

de forma sinérgica en la degradación degradación de la celulosa. Este complejo enzimático está formado por tres tipos de enzimas:

•

Endoglucanasas: estas atacan las regiones internas de baja cristalinidad en las fibras de celulosa, creando cadenas libres de enlaces.

•

Exoglucanasas o celobiohidrasas: degradan las moléculas por la eliminación de unidades de celobiosa desde los extremos de las cadenas.

•

β-glucosidasas:

hidrolizan celobiosa para producir glucosa. La Figura 8 muestra este

mecanismo.

Figura 9. Mecanismo de hidrólisis enzimática de la ccelulosa. elulosa. 16

 

Este complejo complejo de de proteína proteínass de origen enzimático, enzimático, en conjunto conjunto logran logran la degradación degradación de la celulosa celulo sa (polímero de alta alta complejidad), complejidad), en monómeros monómeros de baja complejidad complejidad como la glucosa, glucosa, con el fin de metabolizarla y cumplir así con funciones vitales. En adición a los tres grupos principales de enzimas celulosas, existen también un número de enzimas auxiliares que atacan la hemicelulosa, tales como glucuronidasas, acetilesterasas, xilanasas, ß-xilosidasas, galactomannanasas.

1.5.6.  Actividad enzimática. Debido a que se necesita muy bajas concentraciones de enzima para catalizar una reacción, su determinación directa es difícil, por consiguiente la efectividad de una enzima se evalúa generalmente, siguiendo la desaparición del sustrato o la aparición de un producto formado en la reacción. La reacción catalizada enzimáticamente se desarrolla bajo condiciones condic iones cuidadosame cuidadosamente nte controladas, controladas, sacándose sacándose muestras muestras para control a intervalos intervalos de tiempo apropiados.

Para el caso de las enzimas celulasas se expresa la actividad de las enzimas en unidades que se basan en la conversión de una cantidad arbitraria de sustrato, en un lapso definido de tiempo y con una cantidad determinada de enzima. Se tienen técnicas estandarizadas a condiciones definidas de pH, temperatura y concentraciones de sustrato.

1.5.7.  Factores que afectan la actividad enzimática. La actividad enzimática puede ser alterada por factores físicos o químicos y por ello las enzimas actúan dentro de un intervalo óptimo de temperatura y pH fuera de la cual su actividad disminuye.

1.5.7.1. Efecto del pH. La actividad de las enzimas depende mucho de la concentración de iones hidrogeno del medio, ya que esto afecta el grado de ionización de los aminoácidos del sitio activo, del sustrato, o del complejo enzima sustrato; todo esto llega a influir en la afinidad que tenga la enzima por el sustrato. En los casos en que los sustratos no son ionizables (la mayoría de los hidratos de carbono y de los lípidos), los grupos iónicos de las enzimas son los únicos afectados por el pH. Por esta razón, todas las enzimas presentan una máxima actividad catalítica a un cierto valor óptimo de pH, en un intervalo de 5 a 8, aun cuando existen excepciones muy importantes, como es el caso caso de la pepsina del estómago, que tiene un pH óptimo de 1,8. En En la Figura 10 se observa que los valores extremos de pH causan la inactivación de enzimas ya que se induce su desnaturalización. 17

 

La inhibición de las reacciones enzimáticas y del crecimiento microbiano en ocasiones se llega a efectuar, si el producto lo permite, por una reducción de pH, mediante la adición de los diferentes ácidos disponibles como aditivos; por lo tanto, si se desea la acción de alguna de las enzimas y el alimento lo permite, se acondicionan el pH y la temperatura para obtener una máxima actividad catalítica.

Figura 10. Efe Figura Efecto cto de pH en llaa acti activid vidad ad en enzim zimátic ática: a: (a), óptimo; óptim o; (b), in interval tervaloo de estab estabilidad ilidad ddee la en enzima; zima; (c, intervalo de inactividad) reversible, y (d), inactivación instantánea.

1.5.7.2.  Efecto de la temperatura .Como sucede con la mayoría de las reacciones químicas, la velocidad de las reacciones enzimáticas aumenta con la temperatura, pero sólo en el intervalo en que la enzima sea sea estable y retenga su capacidad catalítica; en en casos extremos, cuando se incrementa mucho la temperatura, se favorece la desnaturalización y consecuentemente esta proteína pierde su capacidad catalizadora. Por esta razón, cada enzima tiene un intervalo de temperatura en el cual se logra la mayor actividad; la mayoría tiene una temperatura óptima entre 30 y 45 45 °C, y se inactiva inactiva a más de 55 °C (Figura (Figura 11).

18

 

Figura 11. Efecto de la temperatura en la actividad enzimática.

1.6. Hidrólisis en enzimática zimática de residuos celulós celulósicos icos La hidrólisis enzimática de la celulosa consiste en tres pasos: absorción de las enzimas celulasas en la superficie de la celulosa, la degradación de la celulosa a azúcares fermentables o glucosa y la deserción de las celulasas. La degradación enzimática de materiales celulósicos, es estimulada por la perspectiva de que esta investigación contribuiría al desarrollo en gran escala a procesos de conversión que beneficiarían a la humanidad en una forma sustancial. Algunos de estos procesos de conversión potenciales p otenciales son: •

Ayudar a resolver problemas de eliminación de desechos.

•

Disminuir la contaminación del medio ambiente.

•

Aliviar la escases de alimentos y nutrientes nut rientes para animales.

•

Mejorar el manejo de bosques y tierras extensas, suministrando un mercado para maderas de baja calidad, que se desarrollan en tierras pobremente cultivadas.

•

Disminuir la dependencia del hombre hacia los combustibles fósiles, proveyendo un recurso conveniente y renovable de energía en forma de etanol. 19

 

La sacarificación de los materiales celulósicos, utilizando las enzimas celulasas, no presentan el problema de la formación de productos indeseables como los que se presentan en las otras formas de hidrólisis (ácida, básica, etc.). En la actualidad los estudios de hidrólisis se están orientando a la utilización de enzimas para la sacarificación de subproductos celulósicos por las ventajas del proceso que ofrecen. La hidrólisis completa de la celulosa consiste en el rompimiento de los enlaces entre moléculas de glucosa, a cada unidad se añade una molécula de agua, produciéndose el azúcar glucosa. La reacción es: (C6 H10O5) n Celulosa

+ n H2 O

Hidrólisis

n C6 H12 O6

Glucosa

1.6.1. Cinéti Cinética ca enzi enzimática. mática. La actividad de una enzima se determina a partir de la concentración de la enzima, la concentración del sustrato y su disponibilidad, la concentración de los cofactores y/o los efectores efectores alostéricos, la presencia, concentración y tipo de inhibidores, y la fuerza iónica, el pH y la temperatura del medio. La cinética enzimática estudia la forma en que estos parámetros influyen en la actividad enzimática, proporcionando un conocimiento de la reacción en estudio y permitiéndo su control. Para un úni nicco sus ustr traato (S) y un únic icoo pro rodducto (P) se pue uedde aplic icaar el sig iguuie ient ntee esquema de reacción.

Cuan Cuando do la co conc ncen entr trac ació iónn de dell sust sustra rato to [S [S], ], es much muchaa ma mayo yorr qu quee la de la enzi enzima ma [E], [E], la ve velo loci cida dadd de reacción es de orden cero respecto a los reactantes, es decir, depende solamente de la co conce ncentr ntrac ación ión de enzi enzima ma prese present nte. e. Por ta tanto nto la veloc velocida idadd de reacc reacción ión es esen esenci cial alme mente nte cons consta tante nte hasta que haya reaccionado casi todo el sustrato, momento en que pasa a depender de la conc nceentr traació iónn de sustr traato ex exis isttente y es de pri rim mer orde denn con res respecto a la con onccentrac ración de sustrato. La mejo mejorr fo form rmaa de es escr crib ibir ir la ci ciné néti tica ca enzi enzimá máti tica ca es medi median ante te la ec ecua uaci ción ón de Mi Mich chae aeli liss-Me Ment nten en Ec Ec.1 .1 que presu presupo pone ne la for forma maci ción ón de un co comp mple lejo jo en enzi zima ma-s -sus ustra trato. to.

20

 

=

  [ ] [ ]

(1)

[ ]

Dónde:   = Y repr repreesent sentaa la conc conceentra ntraci ción ón de sustr ustraato nec necesa esaria ria para para obte obtene nerr la mita mitadd de la velo veloccida idad de reac reaccció iónn máx máxima ima. Po Porr tant tanto, o, cuand uandoo la conc concen entr trac ació iónn de sus sustrat tratoo es die diez ve vece cess el valor alor de km, la reacción se produce a un 91% de la velocidad máxima de la reacción (Vmáx), y si es 100 veces el valor de km, al 99% de la Vmáx, con ta tall que no teng ngaa lugar la in inhhib ibic ició iónn por el exceso de sustra sustrato to y no se produ produzc zcan an inhib inhibid idore oress du dura rante nte la re reac acci ción ón en enzi zimá mátic tica. a. En es este te ca caso so:: (2)

=   [ ]

La ciné cinéti ticca de Mic icha hael elis is-M -Meente nten supon uponee que que tant tantoo el sustr ustraato como omo la enz enzima ima son solub oluble less y está tánn mezc mezcla lado doss de fo form rmaa homo homogé géne neaa, lo que que no sie iemp mpre re ocur ocurre re.. Los valo valore ress de Vmax y km se ob obti tien enen en gr gráf áfic icam amen ente te un unaa ve vezz he hech chaa la si sigu guie ient ntee tr tran ansp spos osic ició iónn en la ec ecua uaci ción ón de Mi Mich chae aeli lissMenten Men ten (Ec.3): (Ec.3):

=

+

∗

[ ]

(3)

Al representar 1/v frente a 1/[S] se obtienen los valores de -1/Km y 1/Vmax a pa part rtir ir de la int nteersecció iónn de 1/[ /[SS] y 1/v con lo loss ejes. La pendie iennte de la lí líne neaa es Km /Vmax. Esta Esta re repr pres esen enta taci ción ón se ll llam amaa gráf gráfic icaa de Lin inew ewea eave verr-Bu Burk rk.. En much muchos os ca caso soss la ve velo loci cida dadd a la qu quee el co comp mple lejo jo en enzi zima ma-s -sus ustr trat atoo se de desc scom ompo pone ne en enzi enzima ma li libr bree y prod produc ucto to,, es rela relati tiva vame ment ntee ba baja ja,, li limi mita tand ndoo la ve velo loci cida dadd de la re reac acci ción ón ca cata tali liza zada da po porr el en enzi zima ma.. Ento Entonc nces es la co cons nsta tant ntee de vel veloci ocidad dad k2 es muy pequeñ ueña y su valor se apro roxxim imaa a k-1 /k1 y por tanto es igual a ks, constan constante te de di diso soci ciac ació iónn de dell co comp mple lejo jo en enzi zima ma-s -sus ustr trat atoo ([ ([E] E] [S [S]] / [ES] [ES]). ). Aunq Aunque ue en esta estass co cond ndic icio ione ness el valor de k2 controla la velocidad de reacción, frecuentemente ésta se refiere a Vcat que representa el número de combinaciones del enzima en moles de sustrato / centro activo /  un unida idadd de tie tiemp mpo. o. todass las las reac reacccione ioness cata catali lizzadas das por por enzim nzimaas, el prim primeer 1.6.2. Comple Complejo jo enzima-su enzima-sustrat strato o. En toda paso es la unión (no covalente) del sustrato ala enzima para formar lo que es llamado el compl ompleejo enzim nzimaa-ssustr ustraato. to. Es Este te comp comple lejo jo se pued puedee dis disocia ociarr para para dev devolve olverr sustr ustraato libr libree y en enzi zima ma.. Po Porr tanto tanto,, ésta ésta es una una re reac acci ción ón de equil equilib ibrio rio.. 21

 

E

+

Enzima

S

ES

Sustrato

Complejo enzima-sustrato

La ve velo loci cida dadd a la cu cual al suce sucede de es esta ta re reac acci ción ón de depe pend nder eráá de la na natu tura rale leza za ta tant ntoo de dela la en enzi zima ma co como mo del del sustr ustraato to;; sin embar mbargo go,, en todo todoss los los casos asos en que que ha sido ido medi medida da la velo veloccida idad de enlac nlacee se ha vis isto to que es muy rá ráppid idaa, de modo que el equi uili libr brio io de la rea reacción ión se consig igue ue en una fra fracción muyy pe mu peque queña ña de se segu gundo ndo.. Las in intteraccione ones que que esta tabbil iliz izaan el compl pleejo enzim imaa sustrato rato son puente tess de hid idró róggeno, fu fuer erza zass hi hidr drof ofób óbic icas as,, ió ióni nica cass y fu fuer erza zass de Lond London on (de (de Va Vann de derr Wa Waal als) s).. Si la en enzi zima ma se ex expo pone ne a te tem mpera ratu tura rass extre rema mass o en ambie iennte tess de pH di divversos (es (es decir, valo lorres de pH alt ltos os o bajo joss) pued puedee desp desple lega gars rsee y perd perdeer así sus sit itio ioss activo tivoss. Cu Cuan ando do esto ocur ocurre re,, se dic dice que que la enzim nzimaa se desnaturaliza.

Figura Fig ura 12. For Forma mació ciónn del com comple plejo jo enz enzima ima-su -sustr strato ato 1.7. Ferm Fermentaci entación. ón.

1.7.1. Concepto bioquímico. Desde el punto de vista bioquímico, una fermentación se define como un proceso mediante el cual las sustancias orgánicas (sustrato) sufren una serie de cambios químicos (reducciones y oxidaciones) que producen energía: al finalizar la fermentación fermen tación,, se presenta presenta una acumulación de varios productos, productos, unos más oxidados (ace (aceptaron ptaron electrones) y otros más reducidos (donaron electrones) que el sustrato, con un balance total de energía positivo. Esta energía es utilizada en el metabolismo de los microorganismos. Es importante importante mencionar mencionar que en en el concepto concepto bioquímico, bioquímico, no se se consideran consideran como como fermentaciones los procesos en los que participa el oxígeno. Cuando el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular y no una sustancia orgánica, el proceso se conoce como respiración. Ejemplo: La producción, a partir de glucosa, de etanol y dióxido de carbono: 22

 

→

2

Glu luccosa

+

Etanol

2

+

(26

)

Dió ióxxido de carbo rbono

1.7.2. Concepto Microbiológico. Desde el punto de vista microbiológico, se entiende por fermentación aquel proceso en el que los microorganismos producen metabolitos o biomasa, a partir de la utilización de sustancias orgánicas, en ausencia o presencia de oxígeno. La descomposic desco mposición ión de los sustratos sustratos es llevada llevada a cabo cabo por enzimas enzimas producidas producidas por los microorganismos para tal finalidad. Se debe observar que el concepto llega a excluir a los microorganismos del proceso, siempre y cuando estén presentes sus enzimas; sin embargo, en estos casos, la velocidad de obtención y los rendimientos son menores. Ejemplo: la conversión de glucosa glucosa en -presencia -presencia de oxígenooxígeno- en dióxido de carbono carbono y agua. +

Glucosa

6

→

Oxígeno

6

+

6

Dióxido de carbono Agua

Un proceso de fermentación, visto como un todo, está compuesto por tres etapas: •

La preparación del inóculo.

•

La selección del medio de cultivo.

•

La producción de la biomasa o de los metabolitos de interés. [7]

cantidad de procesos procesos y productos productos que involucra involucra el término 1.7.3. Clasificación. La gran cantidad fermentación hace difícil no solo la definición del concepto, concepto, sino también su clasificación. En general, se establecen divisiones con base en:

1.7.3.1.  Los productos finales de la fermentación. Desde el punto de vista comercial, las fermentaciones se pueden clasificar tomando en cuenta los productos que se obtendrán. Entre ellos, se puede mencionar:

•

Células microbianas (biomasa).

•

Metabolitos microbianos (enzimas, etanol, butanol, acetona, ácidos orgánicos, etc.).

23

 

1.7.3.2.  El oxígeno en el proceso de fermentación. También es posible clasificar las fermentaciones con base en la presencia o ausencia de oxígeno molecular durante el proceso. De acuerdo con esta división, los l os procesos se denominan: •

  Fermentación aerobia.

El aceptor final de electrones es el oxígeno; es imprescindible su

presencia para el el desarrollo del microorganismo y la producción del compuesto deseado. deseado. En este tipo de procesos, se produce fundamentalmente biomasa, dióxido de carbono y agua. •

  Fermentación anaerobia.

El proceso de producción del metabolito de interés se desarrolla

en ausencia de oxígeno; los productos finales son sustancias orgánicas, por ejemplo, ácido láctico, ácido propiónico, ácido acético, butanol, etanol y acetona. Sin embargo, en la mayoría de las fermentaciones anaeróbicas, se requiere un poco de oxígeno al inicio del proceso para favorecer el crecimiento y la reproducción del microorganismo.

En los procesos anaerobios, los microorganismos producen mucho menos energía que en los aerobios y, para suplir sus necesidades de energía, metabolizan una mayor cantidad de azúcares; por consiguiente, elaboran más metabolitos. Entonces, a través de la cantidad de oxígeno, se puede manipular un proceso de fermentación, para incrementar la producción de la sustancia de interés; por ejemplo, cuando se trabaja con un microorganismo facultativo (capaz de crecer en presencia o ausencia de oxígeno), como Saccharomyc Sacch aromyces es cerev cerevisiae isiae,

se obtienen obtienen diferente diferentess productos productos mayoritarios, mayoritarios, según la

concentración de oxígeno en el medio: si es muy limitada, habrá una mayor producción de etanol, mientras que si es alta, se favorece la reproducción del microorganismo, o sea, la producción de biomasa.

1.7.4.  Fermentación alcohólica. La fermentación alcohólica (denominada también como ferment ferm entac ación ión del del etanol etanol o incluso incluso ferme fermentac ntación ión etílic etílica) a) es un proce proceso so biológi biológico co de ferme fermenta ntaci ción ón en plena plena au ause senc ncia ia de ai aire re (oxíge (oxígeno no - O2), originado por la actividad de algunos microorganism microorg anismos os que procesan procesan los los hidratos de carbono carbono (por regla regla general general azúcares: azúcares: como como puedenn ser por ejemplo puede ejemplo la glucosa, glucosa, la fructosa, fructosa, la sacarosa, sacarosa, el almidón, etc.) para para obtener obtener como como product prod uctos os finales finales:: un un alc alcohol ohol en forma forma de eta etanol nol (cuya (cuya fórmula fórmula químic químicaa es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma forma de gas y unas moléc moléculas ulas de de ATP que consum consumen en los propi propios os microorganism microorg anismos os en su metabolismo metabolismo celular celular energético anaeróbico. anaeróbico.

24

 

La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los mic microor roorgan ganism ismos os unicelul unicelulare aress (le (levad vaduras uras)) en ausenc ausencia ia de oxígeno oxígeno para ello dis disoci ocian an las molécul molé culas as de glucosa glucosa y obtien obtienen en la energía energía necesa necesaria ria para para sobrev sobrevivir ivir,, produci produciend endoo el alc alcoho oholl y CO2 como desechos consecuencia de la fermentación. La finalidad de la fermentación etílica (desde una perspectiva microbiana) es la obtención de energía para la supervivencia de los organismos unicelulares anaeróbicos.

1.7.5.  Mecanismo de reacción y balance energético. En el caso concreto de la fermentación alcohólica, al descomponerse la glucosa en alcohol etílico y dióxido de carbono, se desprende sólo un 7,33% de la energía susceptible de recuperación. Desde el punto de vista energético este rendimiento es muy bajo, pero lo compensa el hecho de que estas cortas cantidades de energía representan un verdadero capital productivo. Gracias a las levaduras presentes presentes en el mosto, los azúcares son transformados mediante un cierto número de etapas en etanol y anhídrido carbónico, según la ecuación de Gay-Lussac: →

2

Glucosa

+

Etanol

2

+

2

+

25,4

Dióxido de carbono

La fermentación alcohólica es es una reacción exotérmica (la energía libre de Gibbs-entalpía libre, de la reacción de fermentación etílica muestra un valor de ΔG de -234,6kJ mol-1 en un entorno de acidez acidez neutra neutra pH igual a 7) que va acompañada acompañada de la liberación liberación de moléculas moléculas energéti energéticas cas (ATP) – energía energía materialmente comprometida – puestas a disposición disposición de las levaduras; levaduras; se trata de energía en una forma, en una «moneda» que pueda «gastar» el organismo. Esta forma no es el calor, pues con calor nada puede hacer el organismo; el calor es la forma de energía realmente «libre», y el organismo «lo deja deslizarse entre los dedos», se desprende de él, lo irradia, como «excreción», como desecho, como una especie de sobrante de energía que se elimina lo mismo que las excreciones materiales. El ATP (trifosfato de adenosina), sin embargo, juega el papel de intermediario y sirve en todas partes para la acumulación de energía, pues para su formación se requiere relativamente poca energía. En otras palabras: si, por ejemplo, en el transcurso de una síntesis bioquímica de una sustancia importante para el organismo, debe superarse una etapa que solo es posible mediante el consumo de energía, entra en función el ATP, y entonces la etapa que requiere energía se “acopla” con la rutura del ATP que lo suministra.

25

 

Cada enlace energético en una molécula de ATP corresponde a unas 10.000 cal/mol. Las levaduras se sirven igualmente de las sustancias nitrogenadas (nitrógeno amoniacal y aminoácidos), presentes en el mosto, para para la síntesis de ssus us proteinas. Se debe considerar que el etanol va aumentando de concentración durante el proceso de fermentación y debido a que es un compuesto tóxico, cuando su concentración alcanza aproximadamente un 12% de volumen las levaduras tienden a morir. Esta es una de las razones fundamentales por las que las bebidas alcohólicas (no destiladas) no alcanzan valores superiores a los 20% de concentración de etanol.

Figuraa 13. Meca Figur Mecanism nismoo de reacc reacción ión de la ferm fermentació entaciónn alcohó alcohólica lica

26

 

1.7.6.  Limitaciones del proceso. La determinación de los factores que limitan la glicólisis fermentativa del etanol son complejos debido a la interrelación existente y a la naturaleza de los parámetros intervinientes durante el proceso de fermentación. Algunos de ellos se deben tener en cuenta en la fermentación alcohólica industrial. En las limitaciones que surgen durante el proceso se pueden enumerar algunos de los más importantes como son:

1.7.6.1. Concentración de etanol resultante. Una de las principales principales limitacione limitacioness del proceso, proceso, es la resistencia resistencia de las levaduras a las concentraciones de etanol (alcohol) que se llegan a producir durante la fermentación, fermentación, algunos microorganismos como eell saccharomyces cerevisiae pueden llegar a soportar hasta el 20% de concentración en volumen. factor limitante limitante en el proceso proceso de la fermentac fermentación ión ya 1.7.6.2.  Acidez del sustrato. El pH es un factor que las levaduras se encuentran afectadas claramente por el ambiente, bien sea alcalino o ácido.. Por regla general ácido general el funcionamiento funcionamiento de las levaduras levaduras está en un rango rango que va aproximadamente desde 3.5 a 5.5 de pH. Los procesos industriales procuran mantener los niveles óptimos de acidez durante la fermentación usualmente mediante el empleo de disoluciones disoluc iones tampón. tampón. Los ácidos ácidos de algunas frutas (ácido tartárico, tartárico, málico) málico) limitan a veces este este proceso.

1.7.6.3. Concentración de azúcares. La concentració concentraciónn excesiva excesiva de hidratos de carbono carbono en forma de monosacáridos y disacáridos puede frenar la aactividad ctividad bacteriana. De la misma forma la baja concentración puede frenar el proceso. Las concentraciones límite dependen del tipo de azúcar así como de la levadura responsable de la fermentación.

1.7.6.4. Contacto Contac to con el aire. Una intervención de oxígeno (por mínima que sea) en el proceso lo detiene detiene por completo completo (es el denominado denominado Efecto Efecto Pasteur). Pasteur). Esta es la razón por por la que los

recipientes fermentadores se cierren herméticamente.

1.7.6.5.  La temperatura. El proceso de fermentación es exotérmico, y las levaduras tienen un régimen de funcionamiento en unos rangos de temperatura óptimos, se debe entender además que las levaduras son seres seres mesófilos. Si se expone cualquier levadura a una temperatura cercana o superior a 55 °C por un tiempo de 5 minutos se produce ssuu muerte. La mayoría cumple su misión misión a temperaturas temperaturas de 30 °C.

27

 

1.7.6.6.  Ritmo de crecimiento de las cepas. Durante la fermentación las cepas crecen en número debido a las condiciones favorables que se presentan en el medio, esto hace que se incremente la concentración de levaduras.

1.7.6.7. Selec Selección ción d del el microorgan microorganismo ismo fermen fermentador. tador. El éxito o fracaso de un proceso fermentativo comienza con el microorganismo utilizado, en la elección del mismo se deberían tener en cuenta ciertos criterios generales que se indican a continuación: •

La cepa a utilizar debe ser genéticamente estable.

•

Su velocidad de crecimiento debería ser alta.

•

La cepa debe estar libre de contaminantes, incluidos in cluidos fagos.

•

Sus requerimientos nutricionales deberían ser satisfechos a partir de medios de cultivo de costo reducido.

•

Debe ser ser de fácil conservac conservación ión por largos períodos períodos de tiempo, tiempo, sin pérdida pérdida de sus características particulares.

•

Debería llevar a cabo el proceso fermentativo completo en un tiempo corto.

levadura de cerveza cerveza Saccharomyces Saccharomyces cerevisiae cerevisiae es un 1.7.7. Sacc Saccharomy haromyces ces Cerev Cerevisiae. isiae. La levadura hongo unicelular, unicelular, la ausenci ausenciaa de patogenicid patogenicidad ad permite permite su manipulac manipulación ión con las las mínimas mínimas precauciones. Las utilidades industriales más importantes de esta levadura son la producción de cerveza, pan y vino, vino, gracias gracias a su capacidad capacidad de generar generar dióxido de carbono carbono y etanol durante el proces procesoo de fermentación. Básicamente este proceso se lleva a cabo cuando esta levadura se encuentra en un medio medio muy rico en azúcares azúcares (como la D-glucosa). D-glucosa). En condiciones condiciones de escasez escasez de nutrientes nutrientes,, la levadura levadura utiliza utiliza otras rutas metabólica metabólicass que le permitenn obtener un mayor rendimiento permite rendimiento energético, energético, y por tanto no realiza la fermentación. fermentación.

28

 

1.8. Desti Destilación lación La destilación es el proceso proceso que se utiliza para llevar a cabo la separación separación de diferentes líquidos, que se encuentra encuentrann disueltos disueltos en líquidos, líquidos, o incluso incluso gases gases de una mezcla, mezcla, gracias gracias al al aprovechamie aprove chamiento nto de los diversos puntos de ebullición ebullición de cada sustancia sustancia partícipe, mediante mediante la vaporiz vaporización ación y la condensación. condensación. Los puntos puntos de ebullición ebullición de las sustancias sustancias son una propiedad propiedad de tipo intensiva, intensiva, lo que significa significa que que no cambia en en función de la masa masa o el volumen volumen de las sustancias, aunque sí de la presión. [8] En química química,, se se lllam lamaa destila destilació ciónn simpl simplee o destila destilació ciónn senc sencilla illa a un un tipo tipo de destila destilació ciónn donde donde los vapore vaporess producidos producidos son inmediatame inmediatamente nte canalizados canalizados hacia hacia un condensador, condensador, el cual cual los refresca y condensa de modo que el destilado no resulta puro. Su composición será idéntica a la composición de los vapores a la presión y temperatura dados. La destilación sencilla, sencilla, se usa para separar separar aquellos líquidos cuyos cuyos puntos de ebullición difieren extraordinariamente (en más de 80°C aproximadamente) o para separar líquidos de sólidos no volátiles. Para éstos casos, las presiones de los componentes del vapor normalmente son suficienteme sufici entemente nte diferentes diferentes de modo modo que la ley de Raoult puede descartarse descartarse debido a la insignificante contribución del componente menos volátil. En este caso, el destilado puede ser suficientemente puro para el propósito buscado. El aparato utilizado para la destilación en el laboratorio es el alambique. Consta de un recipiente donde se almacena almacena la mezcla mezcla a la que se le aplica aplica calor, un condensado condensadorr donde se enfrían enfrían los vapores generados, llevándolos de nuevo al estado líquido y un recipiente donde se almacena el líquido concentrado.

1.9. Prod Producció ucciónn de bioetanol El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado deshidratado se puede utilizar utilizar como combustible combustible.. El bioetanol bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales. 29

 

1.9.1.  Bioetanol de segunda generación. El bioetano bioetanoll de primera primera generac generación ión se obtiene mediante media nte la fermentación de azúcares procedentes procedentes de diferentes vegetales vegetales (maíz, remolacha, remolacha, cebada…). El problema es que esas materias primas sirven para alimentar a las personas. El uso

del bioetanol como combustible ha crecido en los últimos años en Europa, Estados Unidos, Brasil y Canadá, lo que ha repercutido en el precio de algunos alimentos.[9] La producción mundial total de bioetanol aumentó de 2001 a 2009 un 430%, con una tasa anual de crecimiento superior al 17%. El éxito en el uso del bioetanol se debe al aumento en el precio de los combustibles fósiles y a las ayudas gubernamentales que ha recibido en países como Brasil y Estados Unidos. Se ha conseguido incrementar la seguridad en el suministro doméstico de combustibles, reducir la emisión emisión de gases de efecto invernadero invernadero y ayudar a las industrias y a las comunidades rurales. Sin embargo, como decimos, decimos, la producción de esta primera generación generación de bioetanol encarece algunos alimentos. Además, también puede hacer desaparecer ecosistemas naturales. Para evitar estos inconvenientes se están realizando investigaciones investigaciones para otras fuentes naturales alternativas alterna tivas para elaborar elaborar los llamados llamados biocombustibles biocombustibles de segunda generación. generación.[10] Se llama biocombustibles de segunda generación a los que se obtienen de otras fuentes naturales alternativas, como lo es, la biomasa lignocelulósica, es de decir, cir, un componente esencial de la madera que incluye residuos residuos forestales forestales y agroindustriales agroindustriales como serrines, serrines, restos de molienda y de la fabricación de papel, etc., puede ser una de las más adecuadas. La producción de etanol a partir de este tipo de biomasa presenta algunas ventajas medioambientales respecto de la producción de etanol por fermentación de azúcares. Sin embargo, el grado de comercialización de este etanol de segunda generación es todavía lento.

Algunas plantas ya están realizando pruebas en América del Norte y Europa, pero el proceso de comercialización es lento por los riesgos asociados asociados al desarrollo de la tecnología, la elevada inversión de capital necesaria y los escasos retornos previstos a corto pl plazo. azo. Así mismo, mismo, aunque present presentaa evidentes evidentes ventajas ventajas medioambienta medioambientales les en relación relación con la renovabilidad y no competiría con la producción de alimentos, el bioetanol de segunda generación debe competir económicamente con los costes de producción del etanol de primera generación. Según un estudio, el etanol lignocelulósico podría ser competitivo respecto al etanol de primera generac generación ión en el año 2020.

30

 

1.9.2. Ventajas del Bioetanol de Segunda Generación con respecto al de Primera •

Menor nivel de impactos ambientales.

•

Un mayor rendimiento en combustible o energía por hectárea, debido a que es posible aprovechar aprov echar el total de la biomasa. biomasa.

•

El potencial encerrado en el aprovechamiento de una vasta gama de materia prima, y en particular, de residuos o desechos como paja o madera.

•

Presenta bajo nivel de emisiones.

•

No compite por el suelo destinado a alimentos.

1.9.3. Desventajas del Bioetanol de Segunda Segunda Generación con respecto al de Primera •

La necesidad de inversiones de varios miles de millones de dólares para una planta procesadora.

•

Los problemas logísticos relacionados con con el abastecimiento abastecimiento de materias primas para las plantas.

•

La producción de los biocombustibles de segunda generación competiría también en alguna dimensión, con otros usos como son la agricultura, el desarrollo urbano, usos forestales o hábitats naturales.

•

La posible utilización de organismos modificados genéticamente.

31

 

2. MAR MARCO CO EXP EXPERI ERIMEN MENTAL TAL

2.1. Diseñ Diseñoo expe experimen rimental tal para la hidr hidrólisis ólisis alcalina y enz enzimática imática de los ddesech esechos os de plátano. Por la bibliografía consultada consultada se conoce conoce que la concentración de NaOH usada para el bagazo bagazo de caña es del 8% (p/v), (p/v), equivalente equivalente a una solución solución 2 molar, cuando cuando el remanente remanente de la planta de plátano a tratarse tiene una luz de malla de 0,4mm tiene el mismo aspecto, y dureza que el bagazoo de caña; se establece bagaz establece crear rangos de concentración concentración del hidróxido hidróxido de sodio 1.5, 2 y 2.5 molar. Se controlará controlará la temperatur temperaturaa de la hidrólisis hidrólisis en 50, 50, 70 y 90 °C. La exposic exposición ión en la hidrolisis hidrolis is alcalina alcalina se la la realizará realizará a tiempo de tres tres horas según la bibliogra bibliografía fía recomen recomendada. dada. El porcentaje porce ntaje de disoluc disolución ión soluto/solve soluto/solvente nte para la hidrólisis hidrólisis alcalina alcalina será será de 10 %(p/v), es decir, 100 g de la mues muestra tra en 1000 1000 mL de soluc solución. ión. En la hoja hoja técn técnic icaa de la lass enzi enzimas mas Celul Celulas asas as,, con con las las que se tra traba baja jará rá,, ssee esta establ blec ecee qu quee la temperatura tempe ratura óptima óptima de operación operación está está en el rango establec establecido ido de 50 a 60 °C, por lo que que se elige una sola temperatura temperatura de trabajo trabajo de 55 °C y el pH en rangos rangos de 5 a 6, por lo que se se propone trabajarr a pH de 5, 5.5 y 6, la concentració trabaja concentraciónn con la que se recomienda recomienda trabajar trabajar es del 2 % (p/p del sustrato sustrato seco), seco), para encontrar encontrar la óptima se variará variará a en 1.5, 2 y 3%. Dónde: C1 es la concentración del 1,5 molar de NaOH. C2 es la concentración del 2 molar de NaOH. C3 es la concentración del 2,5molar de NaOH. T1 Temperatura Temperatura de exposición exposición de la hidrolisis hidrolisis alcalina alcalina a 50°C. T2 Temperatura de exposición de la hidrolisis alcalina a 70°C. T3 Temperatura de exposición de la hidrolisis alcalina a 90°C. CE1 concentración de la enzima Celulasas 1,5% (p/p). CE2 concentración de la enzima Celulasas 2% (p/p). CE3 concentración de la enzima Celulasas 3% (p/p). pH1 potencial de 5. pH1 potencial de 5,5. pH1 potencial de 6. 32

 

pH1 CE1

pH2 pH3 pH1

CE2

T1 C1

pH2

T2

pH3

T3

pH1

A

MUESTRA C2

A

C3

A

CE3

pH2 pH3

Figura 14. Diseño experimental para la hidrólisis alcalina y enzimática de los residuos orgánicos del banano. Por lo tanto la experimentación se convierte en un sistema de muestreo de 3*3*3*3 que equivale a 81 muestras a ser analizadas.

Para el desarrollo de la parte experimental se toma la muestra inicial, que se somete a hidrólisis alcalina con NaOH a la concentración C1, la misma que trabaja a tres temperaturas definidas: T1, T2 y T3, posteriormente se repite el procedimiento con las concentraciones C2 y C3, en este punto se discriminan discriminan los resultados resultados de los procesos procesos C2 a T3, y de todos los procesos con la C3, debido a que se evidencia la pérdida de celulosa de la materia prima. De estos resultados se obtiene un nuevo sustrato, que pasa a ser la materia prima para la hidrólisis enzimática, se realiza la hidrólisis enzimática con la concentración concentración CE1, la cual trabaja a tres pH definidos: pH1, pH2 y pH3, posteriormente se repite el procedimiento con las concentraciones de enzima CE2 y CE3, para las temperaturas de trabajo y concentración C2, restantes de la hidrólisis alcalina. 33

 

2.2. Diagrama de flujo Obtención de alcohol a partir de hidrolisis alcalina y enzimática de los desechos biomásicos del plátano. H2O

Residuos no determinados

Figura 15. Diagrama de flujo del proceso de obtención de etanol a partir de los residuos biomásicos del banano

34

 

2.3. Mater Materiales iales y Equ Equipos ipos  2.3.1. Hidrólisis alcalina con NaOH  

Balanza Bala nza analítica analítica [Rango: [Rango: 0-100 0-100 g]; [Ap:±0.0001 [Ap:±0.0001 g]



Vidrio de reloj.



Bañoo térmico Bañ térmico [Rango [Rango:: 0-400 °C]; °C]; [Ap: ±0.1 ±0.1 °C]



Te Termóm rmómetro etro [Rang [Rango: o: -10 a 100 °C]; °C]; [Ap: ±1 ±1 °C]



Vaso de precipitación precipitación [Rango: [Rango: 0 a 1000 1000 mL]; [Ap: ±200 ±200 mL] [9]

2.3.2. Determinación de lignina  Balón de destilac destilación ión 250 mL. 

Equipo Sohxlet.



Papel filtro.



Embudo.



Balanza Bala nza analítica analítica [Rango: [Rango: 0-1000 g]; [Ap:±0.0001 [Ap:±0.0001 g]



Reverbero.



Malla de amianto.



Baño térmico.



Matraz Ma traz 50 mL (Ap±10 (Ap±10 mL).

 

Agitador. Probeta Prob eta 100 mL (Ap± (Ap±11 mL)



Refrigerante.



Mangueras.



Te Termóm rmómetro etro [Rang [Rango: o: -10 a 100 °C]; °C]; [Ap: ±1 ±1 °C]

2.3.3. Hidrolisis enzimática Balanza nza analítica analítica [Rango: [Rango: 00-100 -100 g]; [Ap:±0.0001 [Ap:±0.0001 g]  Bala 

Vidrio de reloj.



Baño térmico.



Te Termóm rmómetro etro [Rang [Rango: o: -10 a 100 °C];[Ap °C];[Ap:: ±1 °C]

2.3.4. Determinación de azúcares reductores  Equipo de determinación de azúcares reductores. 

Vasos de plástico plástico de 100 mL.



Pipet Pip etas as 5 mL (Ap±0 (Ap±0,1 ,1 mL) mL)



Pipetas Pipe tas 10 10 mL (Ap±0 (Ap±0,1 ,1 mL) 35

 



Vidrio de reloj.



Reverbero.



Agitadores.



Matraz.



Malla de amianto.



Te Termóm rmómetro etro [Rang [Rango: o: -10 a 100 °C]; °C]; [Ap: ±1 ±1 °C]



Cronómetro Cronóme tro [Ap: ±0.01 ±0.01 seg]



Pinza para matraz.

2.3.5. Fermentación  Inc Incuba ubadora dora [Rang [Rango: o: 0-400 °C];[A °C];[Ap: p: ± 0.1 °C °C]] 

Botellas de vidrio.



Agitador.



Balanza Bala nza Analítica Analítica [Rango: [Rango: 0-100 0-100 g];[Ap:±0.0001 g];[Ap:±0.0001 g]



Balón de destilac destilación ión de 500 mL.



Incubadora Incub adora [Rango: [Rango: 0-400 0-400 °C]; [Ap: [Ap: ±0.1 °C]



Mangueras.



Jeringuillas.



Te Termóm rmómetro etro [Rang [Rango: o: -10 a 100 °C]; °C]; [Ap: ±1 ±1 °C]

 

Potenciómetro Potenc iómetro [Rango: [Rango: 0-14];[Ap: 0-14];[Ap: ±0.01] ±0.01] Corchos.



Refractómetro Refra ctómetro [Rango: [Rango: 0-100 °Brix];[Ap: °Brix];[Ap: ±0.25 ±0.25 °Brix] °Brix]



Tubo refrigerante de Liebig.



Autoclave Autocl ave T=121 T=121 °C, P=1.1 bar. bar.



Tubos fusible.



Botellas plásticas.



Alcoholímetro Alcoho límetro Gay Lussac Lussac [Rango: [Rango: 0-100 °GL]; [Ap:±1 [Ap:±1 °GL] °GL]

2.4. Sus Sustan tancias cias y rea reacti ctivos vos 2.4.1. Hidrólisis alcalina usando NaOH   Material del residuo de plátano. 

Agua destilada [H2O].



Hidróxido de sodio [NaOH] [NaOH] (1,5 mol/L), (2,0 mol/L), (2,5 mol/L).

36

 

2.4.2. Determinación de lignina queda como resultado de la hidrolisis alcalina con  Material del residuo de plátano que queda hidróxido de sodio. 

Agua destilada [H2O]



Benceno [C6H6]



Etanol [C2H5OH]



Ácido sulfurito 5% [H2SO4]

2.4.3. Hidrolisis enzimática 



Material del residuo de plátano que queda como resultado de la hidrólisis alcalina con hidróxido de sodio. Agua destilada [H2O]



Carbonato de calcio [CaCO 3, al 5% p/v]



Ácido sulfúrico [H2SO4, al 5%p/v]



Enzimas Celulasas [1.5, 2, 3% p/p con sustrato]

2.4.4. Determinación de azúcares reductores  Solución de Fehling A (CuSO 4 x 5H2O) 

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

 

Ácido sulfúrico 10% [H2SO4] Agua destilada [H2O]



Yoduro de potasio 10% [KI]

2.4.5. Fermentación Saccharomyce romycess Cerevisiae. Cerevisiae.  Saccha 

Ácido Sulfúrico [H2SO4] (2% p/p)



Carbonato de Calcio [CaCO3] (5% p/p)



Agua destilada destilada [H2O]

2.5. Proc Procedimi edimiento ento

2.5.1.  Hidrólisis alcalina usando NaOH. Se prepara prepara 1000 mL de solución solución de NaOH NaOH 1,5 molar, se se agrega 100 g de sustrato sustrato con un tamaño tamaño de partícula partícula