Produccion de Etanol A Partir de Almidon de Yuca Mediante La Fermentacion Alcoholica

UNIVERSIDAD LIBRE SECCIONAL PEREIRA PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE ALMIDON DE YUCA (Manihot esculenta) MEDIANTE LA FERMETACIÓN ALCOHOLICA Production from ethanol for starch cassava (Manihot esculenta) by alcoholic fermentation Jiménez Salazar Marcela1 Septiembre 2016

RESUMEN El cambio climático y el aumento en los precios de productos derivados del petróleo han generado gran preocupación a nivel mundial, por lo cual se han buscado alternativas como lo es el bioetanol, este se produce por la fermentación de azucares contenidos en la materia orgánica de las plantas, en este caso en particular se produjo el etanol a partir de almidón de yuca mediante una serie de procesos donde se incluye la dilución, conversión, fermentación y destilación, en la cual se obtuvo una pequeña cantidad de etanol como producto final, siendo este 1% del contenido inicial fermentable. Lo anterior se atribuye a que a la hora de realizar el proceso se presentaron dificultades en los parámetros evaluados. La importancia de este estudio radica en buscar por medio de materiales agrícolas fuentes alternativas para el beneficio de la industria, como del medio ambiente, ya 1 Estudiante de sexto semestre de microbiología de la Universidad Libre Seccional Pereira.

que como objetivo principal se busca reducir el calentamiento global y mejorar la crisis energética mundial. Palabras clave: Etanol, almidón, yuca, fermentación alcohólica, destilación. ABSTRACT Climate change and the increase in prices of petroleum products have generated great concern worldwide, so have sought alternatives, such as the bioethanol, this is produced by the fermentation of sugars contained in the organic matter of plants, in this particular case occurred ethanol cassava starch by a series of processes that include dilution, conversion, fermentation and distillation, in which a small amount of ethanol as the final product was obtained, and being this fermentable 1% of the initial content. This is attributed to when performing the process some difficulties were presented in the evaluated parameters. The importance of this study is to search through alternative sources of agricultural materials for the benefit of industry and the environment, as it seeks to reduce global warming and improve the global energy crisis. Keywords:Ethanol, starch, cassava, alcoholic fermentation, distillation.

INTRODUCCION

procesos de fermentación para la

Las

preocupaciones

producción

a

gran

combustibles

combustibles de origen fósil, los

proceso en el cual la aplicación de la

cuales producen gases de efecto

biotecnología

invernadero

de

herramienta fundamental que permite

carbono, metano, óxidos de nitrógeno

plantear un paralelo en el que se

y

grandes

emplean los recursos naturales y los

al

desarrollos tecnológicos para plantear

ozono,

cantidades

los

el

que

dióxido en

perjudican

el

de

medioambientales como lo son los

como

como

escala

bioetanol,

constituye

calentamiento global; y el aumento de

alternativas

que

los precios de producción derivados

medida

deterioro

del petróleo han generado interés en

ambiente, que se ve reflejando en la

el

eviten

en

una

del

gran medio

elaboración de productos sintéticos a

que va a hacer utilizada más

nivel industrial. El etanol se produce

adelante

comercialmente

fermentación no muera por altos

fermentación

mediante de

los

la

productos

agrícolas

que

contienen

un

contenido

de

azúcar

almidón,

o

alto

en

el

proceso

de

contenidos de alcohol. 2) Conversión: Se trata de convertir el

generalmente la tendencia mundial

almidón

o

la

celulosa

en

azucares fermentables, para lo

en el manejo de combustibles, en

cual se realiza la hidrolisis acida.

especial los biocombustibles como el etanol ha llevado a explorar nuevas

3) Fermentación:

metodologías que permitan optimizar

alcohólica

los

ya

anaerobio realizado por levaduras.

existentes y que generen alternativas

4) Destilación: Es el último paso, en

de fuentes de energía renovables y

el cual por medio de calor se

más limpias.

separa los líquidos de la muestra,

El

procesos

bioetanol

fermentación

de

se de

producción

produce los

por

es

fermentación un

proceso

en este caso el etanol del agua.2

la

azucares

La

La

fermentación

consiste

en

un

contenidos en la materia orgánica de

proceso catabólico donde se lleva a

las plantas. En este proceso se

cabo la oxidación incompleta, en

obtiene el alcohol deshidrato, con un

condiciones anaerobias, obteniendo

contenido aproximadamente del 5%

como producto final un compuesto

de agua, que tras ser deshidratado se

orgánico,

puede utilizar como biocombustible.

1

dicha

fermentación

es

también conocida como respiración

La producción de etanol se produce

intramolecular.

siguiendo las siguientes fases:

regularmente hace referencia a la

1) Dilución: Consiste en adicionar agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o la cantidad de alcohol en el producto, es necesario para que la levadura

actividad

El de

término algunos

microorganismos, dentro de los que se

incluyen

ciertos

hongos

y

bacterias. Los productos obtenidos tras la fermentación son muy variados y

dependen

del

sustrato,

el

microorganismo

y

los

factores

azucares

generales que gobiernan el proceso.

que la glucosa (C6H12O6) por medio de la glucolisis genera

que se produce en ausencia de se

acido pirúvico (C3H4O3), este por

mencionó

la enzima carboxilasa se convierte

previamente; esto significa que el

en acetaldehído (C2H4O) y por

aceptor final de electrones del NADH

último la enzima deshidrogenasa

producido en la glucolisis no es el

forma lo que es el alcohol etílico

oxígeno, sino que es un compuesto

(CH3CH2OH).

orgánico, el cual se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+. El resultado

Láctica: Consiste en una ruta metabólica anaerobia, tras la cual

fermentación genera a partir de una

se oxida parcialmente la glucosa

molécula de glucosa, 2 moléculas de

con el fin de obtener energía y el

ATP, mientras que en la respiración

producto de desecho que se

se producen 36 ATP. Esto se asocia a

obtiene como resultado es el

la oxidación del NADH, el cual cede

ácido láctico.

electrones

a

de

-

la

sus

energético

la

etílico.4 Este proceso consiste en

ser un proceso anaeróbico, debido a como

en

muestra se transforman en alcohol

La fermentación se caracteriza por

oxigeno

contenidos

compuestos

orgánicos con poco poder oxidante. Existen

diversos

tipos

-

3

Acética:

Es

producida

de

una

por

fermentación bacterias

del

genero Acetobacter, las cuales

fermentaciones, como lo son:

son aerobias y transforman el

-

alcohol en ácido acético.

Alcohólica: se efectúa en ausencia de

oxigeno

molecular,

su

-

Butírica: Consiste en la conversión

aplicación es muy conocida en la

de glúcidos en acido butírico por

producción de vino, cerveza y una

la acción de bacterias del genero

serie de productos importantes en

Clostridium,

el

especie

comercio.

conjunto

de

Consiste

en

un

transformaciones

bioquímicas, por las cuales los

específicamente

Clostridium

la

butyricum,

esta se lleva a cabo en ausencia de oxígeno.3

Entre las fuentes

posibles para la

Por tal motivo se aborda en este

producción de etanol se encuentra la

estudio el proceso de fermentación

yuca (Manihot esculenta), la cual

para la obtención de etanol mediante

contiene alto contenido de ácido

la utilización del almidón de yuca, lo

cianhídrico

cual genera una alternativa para

libre

y

de

cianoglucosidos5. Tiene un contenido

disminuir

de humedad de 53% y aporte de

medioambientales

almidón de aproximadamente 30% el

grandes

cual

combustibles.

por

hidrolisis

enzimática

libera

química

o

azucares

fermentables que finalmente pueden ser transformados en etanol.6 En el caso de la producción de etanol a partir de almidón de yuca, dicho almidón (polisacárido de glucosa), se somete a hidrolisis química, proceso mediante

el

cual

se

producen

azucares fermentables, los cuales son sometidos a una fermentación anaerobia

por

la

acción

de

la

levadura (Saccharomyces cerevisiae) obteniéndose así como resultado final una solución etanólica.7

los

impactos que

traen

producciones

las de

METODOLOGÍA Extracción de almidón de yuca: Se pesó aproximadamente 1 Kg de yuca previamente pelada en una balanza analítica, se cortó en trozos pequeños, posteriormente se llevó a la licuadora con el fin de obtener el producto licuado, adicionando 2 L de agua a la hora de licuar, para facilitar el posterior filtrado. A continuación se separaron el almidón y el bagazo, para lo cual se utilizó un colador. Tras este proceso se obtuvo el almidón y el bagazo de manera separada. Por otra

parte

el

almidón

se

dejó

sedimentar durante 48 horas, pasado este tiempo se separó una cantidad de agua de la superficie del beaker que contenía el almidón, con lo cual se obtuvo este en el fondo del

recipiente

para

su

posterior

utilización.

muestra se aireo durante 30 minutos para realizar el proceso aerobio, una vez

Hidrolisis acida:

culminado

este

periodo

de

tiempo, la mezcla se vertió en un

Al almidón previamente obtenido, se

frasco plástico, con el fin de inducir

le adiciono pequeñas cantidades de

las condiciones anaerobias, con lo

HCl con el fin de disminuir el pH

cual se logra la salida de CO2 en una

hasta obtener un valor de 3, agitando

trampa de gases. Se esperó 7 días,

constantemente cada vez que se

tiempo en el que ocurrió el proceso

adiciono el reactivo para homogenizar

de fermentación anaerobia.

la mezcla, para lo cual se llevó a cabo mediciones contantes utilizando el pH-metro,

introduciendo

potenciómetro

en

vez

que

se

realizó

la

fermentación, se agito el producto

almidón, tras obtener el pH deseado

obtenido en el frasco. Posteriormente

se llevó el almidón al autoclave

se separaron 200 mL de la mezcla y

durante 45 minutos a 120°C – 15 psi.

se llevó a destilación. Tras este

Pasados los 45 minutos se retiró el

proceso se obtuvo etanol, al cual se

almidón de la autoclave, se agito y se

le realizo una prueba con un mechero

enfrío

para corroborar que el producto que

temperatura

mezcla

Una

de

a

la

el

Destilación:

ambiente,

posteriormente se midió este con ayuda del termómetro hasta llegar a 40°C. Fermentación:

se obtuvo si era etanol. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El gran interés que se presenta a nivel mundial para encontrar una

Se aumentó el pH del almidón hasta

fuente alternativa de combustibles,

obtener un valor de 4, para lo cual se

resulta

adicionaron pequeñas cantidades de

medioambiental, económica, social y

NaOH, posteriormente se agregó 10

ética; por este motivo es de gran

gr de levadura y se agito la mezcla, a

importancia el estudio de nuevos

continuación se agregaron 2 gr de

combustibles a partir de productos

NH4Cl y se agito constantemente. La

agrícolas (biocombustibles) ya que

ser

una

necesidad

cada día resulta más complicado la

gases

tóxicos

localización del petróleo y el daño

tradicionales

ambiental producido por la obtención

invernadero8.

de

y

los

vehículos

reduce

el

efecto

de este. Por eso en el trabajo realizado se utilizó una materia prima que no ha sido explotada en todo su potencial. La yuca tiene un alto rendimiento de etanol que resulta ser un

biocombustible

renovable,

el

de

fuente

cual

reduce

considerablemente las emisiones de dióxido

de

carbono,

lastimosamente

la

pero

producción

agrícola de la yuca es muy baja para el propósito industrial, sin embargo como materia prima se puede utilizar para la producción de bioetanol ya que

presenta

gran

cantidad

de

Este producto se obtuvo a partir de la yuca,

la

contenido

cual

presenta

de

almidón

un

alto

que

fue

previamente tratado por hidrolisis acida

con

el

fin

biopolímero

de

en

romper

el

azucares

fermentables, para realizar el proceso de

fermentación

alcohólica.

Esta

comprende una serie de reacciones bioquímicas a través de las cuales una serie de microorganismos (en el presente caso la levadura) realizan la transformación

de

azucares

para

convertirlos en etanol, dióxido de carbono y energía. Cabe resaltar que

material celulósico y lignocelulosico.

el proceso que deben seguir las El

etanol

puede

contribuir

la

levaduras requiere que la glucosa sea

producción de biocombustibles, mas

catabolizada mediante la glucolisis o

no sustituir a los combustibles fósiles

ruta

tradicionales.

obtener el ácido pirúvico, el cual

Puede

ser

a

utilizado

de

Embden-Meyerhof por

la

acción

para

mezclándolo con la gasolina para

posteriormente

de

poder reducir las cantidades que se

enzimas específicas, se convierte

deben utilizar de petróleo. Entre las

anaeróbicamente en etanol y dióxido

principales características del etanol

de carbono9.

se puede mencionar que es un compuesto combustión

biodegradable, produce

un

su efecto

oxigenante, reduce la emisión de

A pesar de que el producto usado en el

trabajo

presentaba

un

alto

contenido de almidón, a la hora de

realizar la destilación, el porcentaje de

alcohol

obtenido

para

la

concentración de 200 g/L fue de 1% (%v/v) siendo aproximadamente 2 mL de etanol puro (Figura 1). Lo anterior se puede atribuir a que a la hora de realizar el procedimiento el pH pudo haber quedado en condiciones muy acidas y la levadura utilizada pudo disminuir su activad mientras se realizaba el proceso de fermentación. Es importante resaltar que a pesar de lo descrito las levaduras presentan cierta

resistencia

a

las

concentraciones de alcohol que se producen durante el proceso de fermentación, ya que el etanol inhibe el transporte de D-xilosa, amonio, glicina y algunos aminoácidos, así como afectan la función y estabilidad de algunas enzimas citoplasmáticas como la hexoquinasa. Pero a grandes

Cabe mencionar que el éxito de una fermentación radica en el tratamiento previo que se le realiza a la muestra, donde se deben controlar diversos parámetros

como

lo

concentración

de

temperatura

óptimos.

presente

que

son:

azúcar,

al

la

pH

y

Teniendo

momento

de

adicionar la levadura se debe tener un control en la condición anaerobia de la misma y el sustrato.

y críticas cantidades de acidez se

La temperatura en la cual se realizó

pudo haber presentado la formación

el proceso de areación fue de 37°C

de un complejo hexoquinasa-etanol el

para en primera instancia generar las

cual

condiciones aerobias del proceso

puede

detener

la

reacción 10

glucosa a glucosa-6 fosfato .

donde se permite el crecimiento limitado de la levadura, para que esta superara su fase de latencia y entrara en

la

fermentación

ya

en

fase

exponencial. Luego como es debido

se utilizó un recipiente que le confería

poca

cantidad

etanol,

las condiciones anaerobias ya que

mantener esta temperatura suponía

permitía la ausencia total de oxígeno,

la reducción y el cambio de esta

y presentaba una salida de gas, para

constantemente,

el proceso de fermentación, esto con

afectar el desplazamiento continuo

el fin de que el microorganismo

del etanol por el refrigerante.

lo

ya

cual

que

podría

pudiera desarrollarse y hacer su proceso anaerobio en condiciones óptimas. El pH final de la fermentación fue de 2, lo cual genero un hábitat critico de acides para la levadura, por lo cual, como

se

nombró

anteriormente

podría ser el factor que desfavoreció a la hora de la fermentación y de la posterior obtención del etanol, ya que

El

las levaduras tienen un rango óptimo

presentarse a la hora de evaluar la

de pH que varía entre 3.5 y 5.5, el

poca cantidad de etanol obtenido es

cual tiene gran importancia en cuanto

que la levadura manejada en el

a la velocidad de crecimiento y

proceso es utilizada principalmente

rendimiento.

para la producción de pan y no de

En el proceso de destilación que se llevó a cabo en el procedimiento (Figura 2), fue de gran importancia controlar los puntos de ebullición, controlando que este no superara los 80°C ya que el punto de ebullición del etanol es de 78°C. Este pudo ser otro factor que se atribuye a la hora de estudiar el por qué se obtuvo tan

último

problema

que

pudo

alcohol. Esto quiere decir que puede presentar

poca

capacidad

fermentativa ya que su membrana no presenta alto contenido de ácidos grados insaturados y la longitud de las cadenas carbonadas no es la necesaria para minimizar los efectos de la fluidez que produce el etanol 10.

CONCLUSIONES

proceso de destilación y por último la a partir de

levadura utilizada en el proceso no es

residuos agrícolas puede ser utilizado

la que se utiliza convencionalmente

como una alternativa atractiva a la

para la producción de alcohol, sino

hora de reemplazar los combustibles

que se usa en la industria alimentaria,

convencionales que generan residuos

específicamente en panadería.

El

etanol producido

fósiles

por

biocombustibles

que

presenten una fuente de energía renovable y que contribuyan a la disminución del calentamiento global y

el

mejoramiento

de

la

crisis

energética mundial.

etanol,

aceptable

para

es el

una

proceso

2 mL, al cual se le realizo una prueba con un mechero para corroborar que

contenido

de

que

esta positivo.

de

realizar la hidrolisis acida, genera un fermentables

(%v/v) siendo aproximadamente este

fuente

fermentación ya que al momento de gran

concentración de 200 g/L fue de 1%

si fuera el producto deseado, dando

El uso de almidón de yuca para la obtención

El total de etanol obtenido para la

azucares

posteriormente

producen etanol.

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una

rendimiento

de

disminución la

levadura

del al

momento de realizar el proceso de fermentación; otro factor importante fue el cambio de temperaturas en el

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