Universidad de La Salle Universidad de La Salle

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Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería

1-1-2016

Estudio experimental para la obtención de azúcares reductores a Estudio experimental para la obtención de azúcares reductores a

partir de la vaina de Pisum sativum L. (Arveja) mediante hidrólisis partir de la vaina de Pisum sativum L. (Arveja) mediante hidrólisis

en agua supercrítica en agua supercrítica

Itzayana González Ávila Universidad de La Salle, Bogotá

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Citación recomendada Citación recomendada González Ávila, I. (2016). Estudio experimental para la obtención de azúcares reductores a partir de la vaina de Pisum sativum L. (Arveja) mediante hidrólisis en agua supercrítica. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/567

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1

ESTUDIO EXPERIMENTAL PARA LA OBTENCIÓN DE AZÚCARES

REDUCTORES A PARTIR DE LA VAINA DE PISUM SATIVUM L. (ARVEJA)

MEDIANTE HIDRÓLISIS EN AGUA SUPERCRÍTICA

ITZAYANA GONZÁLEZ ÁVILA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

2016

2

ESTUDIO EXPERIMENTAL PARA LA OBTENCIÓN DE AZÚCARES

REDUCTORES A PARTIR DE LA VAINA DE PISUM SATIVUM L. (ARVEJA)

MEDIANTE HIDRÓLISIS EN AGUA SUPERCRÍTICA

ITZAYANA GONZÁLEZ ÁVILA

Proyecto de grado para obtener el título de

Ingeniero Ambiental y Sanitario

Director

Víctor Fernando Marulanda Cardona

Ingeniero químico, Doctor en Ingeniería

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

2016

3

Nota de Aceptación

__________________________

__________________________

__________________________

__________________________

_______________________

Director

_______________________

Jurado

_______________________

Jurado

Bogotá, Febrero 2016

4

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, doy gracias a Dios, por haber permitido culminar mi carrera

profesional con éxitos, llevándome grandes conocimientos de todas las personas

que pasaron por esta etapa de mi vida. Agradezco a mis padres, quienes con

grandes esfuerzos me apoyaron como lo han hecho toda su vida, así mismo, a mis

hermanos quienes día a día me dieron la motivación suficiente para lograr esta

meta en mi vida. Finalmente, al profesor Víctor Marulanda, quien confió en las

aptitudes y conocimientos que vio en mí, ya que sin ello no se hubiese logrado el

presente trabajo.

5

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 8

OBJETIVOS ......................................................................................................................... 11

OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................... 11

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 11

1. MARCO DE REFERENCIA .......................................................................................... 12

1.1. MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 12

1.1.1.1. BIOMASA ................................................................................................... 12

1.1.2. AZUCARES REDUCTORES ......................................................................... 13

1.1.3. ARVEJA (Pisum sativum L.) ........................................................................ 15

1.1.4. HIDRÓLISIS CONVENCIONAL .................................................................... 16

1.1.5. FLUIDO SUPERCRÍTICO .............................................................................. 19

1.1.6. HIDRÓLISIS EN AGUA SUB O SUPERCRÍTICA ........................................ 21

1.2. MARCO CONCEPTUAL ....................................................................................... 23

2. METODOLOGÍA ........................................................................................................... 26

2.1. PRIMERA FASE .................................................................................................... 26

2.2. SEGUNDA FASE .................................................................................................. 26

2.3. TERCERA FASE ................................................................................................... 27

2.4. CUARTA FASE ..................................................................................................... 28

2.4.1. ALIMENTACIÓN DEL REACTOR ................................................................. 30

2.4.2. AZUCARES PRESENTES EN LA MUESTRA ............................................. 32

2.4.3. RESULTADOS CORRIDAS PRELIMINARES .............................................. 37

2.5. QUINTA FASE ....................................................................................................... 38

2.5.1. DISEÑO EXPERIMENTAL ............................................................................ 38

2.5.2. AZÚCARES PRESENTES EN LOS HIDROLIZADOS ................................. 41

2.5.3. RESULTADOS CORRIDAS EXPERIMENTALES ........................................ 42

1.1. SEXTA FASE ........................................................................................................ 44

1.2. SÉPTIMA FASE .................................................................................................... 51

2. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 62

3. RECOMENDACIONES ................................................................................................. 64

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 65

6

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Caracterización química vaina de arveja fresca variedad Santa Isabel ....... 15

Tabla 2. Rangos preliminares de trabajo para los cuatro factores a evaluar ............ 29

Tabla 3. Volúmenes de patrón glucosa y agua para la curva de calibración ............ 33

Tabla 4. Lectura de los puntos de calibración. Absorbancia 540 nm ........................ 34

Tabla 5. Resultados de concentración y eficiencia para las corridas preliminares .. 37

Tabla 6. Rangos definitivos para corridas experimentales ......................................... 38

Tabla 7. Niveles de trabajo para cada uno de los factores. ........................................ 39

Tabla 8. Matriz de diseño............................................................................................... 39

Tabla 9. Volumen de agua y cantidad de material a inyectar para las corridas

experimentales ............................................................................................................... 40

Tabla 10. Resultados de las corridas experimentales ................................................. 43

Tabla 11. Compilado de las corridas experimentales ................................................. 44

Tabla 12. Emisiones y Consumo de energía de la producción de bioetanol a partir

de la caña de azúcar ...................................................................................................... 45

Tabla 13. Relación Material/ miel producida ................................................................ 47

Tabla 14. Resumen de emisiones y demanda de energía en los dos procesos ........ 50

Tabla 15 Análisis de Varianza ....................................................................................... 53

Tabla 16 Re-análisis de Varianza .................................................................................. 54

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica. 1.Contenido de material lignocelulósico para los nueve tratamientos

manejados. .......................................................................................................................... 16

Gráfica. 2. Curva de Calibración ....................................................................................... 35

Gráfica. 3 Normal de efectos estandarizados (a) ........................................................... 55

Gráfica. 4 Normal de efectos estandarizados (b) ........................................................... 55

Gráfica. 5. Probabilidad normal de residuales (a) .......................................................... 55

Gráfica. 6 Probabilidad normal de residuales (b) ........................................................... 55

Gráfica. 7 Varianza Constante- Valores residuales vs. Valores ajustados (a) ............ 55

Gráfica. 8 Varianza Constante- Valores residuales vs. Valores ajustados (a) ........... 55

Gráfica. 9 Efectos principales para el porcentaje de azúcar ........................................ 56

Gráfica. 10 Interacción AB................................................................................................. 57

Gráfica. 11 Interacción AD................................................................................................. 58

7

Gráfica. 12 Interacción BD................................................................................................. 59

Gráfica. 13 Interacción ABD para porcentaje de azucares............................................ 60

Gráfica. 14 Interacción ABD- D bajo ................................................................................ 60

Gráfica. 15 Interacción ABD- D alto ................................................................................. 60

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Composición general de material lignocelulósico ................................. 12

Ilustración 2. Materias primas, rutas metabólicas y procesos para la producción de

bioetanol .............................................................................................................................. 14

Ilustración 3. Estructura química de la glucosa ............................................................. 14

Ilustración 4 Diagrama de fase de un fluido, con la curva de presión de vapor y su

punto crítico. ....................................................................................................................... 20

Ilustración 5. Corte de tubo de alta presión .................................................................... 27

Ilustración 6. Reactor utilizado en la hidrólisis subcrítica ............................................ 27

Ilustración 7. Recolección de muestra de cáscara de arveja ....................................... 28

Ilustración 8. Molino Analítico y muestra reducida y tamizada a 500mm ................. 28

Ilustración 9. Software Chemicalogic Steam Tab ........................................................... 31

Ilustración 10.Plancha de Calentamiento ........................................................................ 36

Ilustración 11. Filtración de corrida "C" .......................................................................... 41

Ilustración 12. Filtración de corrida "O" .......................................................................... 41

Ilustración 13. Filtrado corrida "C" .................................................................................. 41

Ilustración 14. Filtrado corrida "O" .................................................................................. 41

Ilustración 15. Flujo de masa en la producción de Etanol ......................................................... 46

Ilustración 16. Datos ingresados al programa ................................................................ 52

Ilustración 17 Pasos para definir el diseño factorial ..................................................... 53

8

INTRODUCCIÓN

En la década de los años 70, algunos biotecnólogos de todo el mundo enfocaron

sus investigaciones hacia la utilización y aprovechamiento de los residuos

agroindustriales. Los primeros años la prioridad era la generación de productos

con valor agregado, años más tarde se sumó el hecho de utilizar los residuos para

reducir el impacto ambiental que ocasiona su disposición. A partir del presente

siglo la prioridad está enfocada a la producción de bioenergéticos (Saval, 2012).

El bioetanol que es un bioenergético, se sintetiza bioquímicamente por las

levaduras como el producto final de la glucólisis. De esta forma, cualquier fuente

de carbohidratos tiene el potencial de transformarse en etanol. Cuando la

obtención de etanol es a partir de polímeros de carbohidratos complejos como la

hemicelulosa y la celulosa se le denomina de segunda generación (Gobierno

Federal de México, 2010). El bioetanol de segunda generación se puede obtener

de los residuos agroindustriales, los cuales son materia orgánica, constituida por

diferentes porcentajes de celulosa (40-60%), lignina (10-25%), hemicelulosa (20-

40%) y pectina (BNDES, 2008). Los procesos para obtener el biocombustible de

segunda generación son complejos pero sus fuentes son abundantes. Por tanto,

es necesario sacarificar la materia prima, liberando carbohidratos simples (la

glucosa) de estructuras complejas (lignocelulosa) (USDE, 2006; Jutakanoke, et al.,

2012).

Distintos tipos de residuos agroindustriales con alto contenido de celulosa se han

sugerido como materia prima para la obtención de combustibles de segunda

generación. En este aspecto, el presente trabajo exploró el uso de la cáscara de

arveja como residuo agroindustrial a tratar, ya que Colombia se encuentra

aproximadamente dentro del puesto 25 entre los 95 países productores de arveja

fresca, siendo esta, una de las leguminosas de más importancia en el país. La

arveja se cultiva en catorce departamentos de Colombia, concentrando su

producción en Cundinamarca, Boyacá, Nariño, Tolima y Huila. El 45% del peso de

la cosecha de arveja está representado por la cáscara de éste, siendo un residuo

9

en cantidades significativas del cual se desconoce el potencial aprovechable,

llevándolo directamente a los rellenos sanitarios. En ocasiones dicho residuo es

utilizado como suplemento en comida para animales, obtención de azúcares, y

generación de energía. De acuerdo con González (2010) la cáscara de arveja

tiene en promedio 26% de Celulosa, 32% de hemicelulosa y 18% de lignina.

Los métodos empleados para el aprovechamiento de material lignocelulósico

como la hidrólisis convencional, aún no se han llevado a escala industrial, debido a

la generación de subproductos en el proceso y las exigentes condiciones de

seguridad debido a los reactivos utilizados. En la hidrólisis ácida, generalmente se

utiliza ácido sulfúrico, ácido clorhídrico y ácido nítrico. Este tipo de hidrólisis puede

desarrollarse a altas temperaturas y bajas concentraciones de ácido o a bajas

temperaturas y altas concentraciones de ácido (Taherzadeh & Karimi, 2008). En el

procedimiento, puede ocurrir el desdoblamiento de celulosa a glucosa provocando

la descomposición de esta última. Simultáneamente, la hemicelulosa se desdobla

a pentosas y se forman los productos de la degradación de la lignina que son

inhibitorios de la fermentación (Saval, 2012). La hidrólisis también puede

desarrollarse en condiciones alcalinas utilizando NaOH, Ca(OH)2 o amoniaco a

bajas temperaturas (Taherzadeh & Karimi, 2008).

La hidrólisis enzimática, por lo general, se aplica una vez los residuos han sido

tratados física y químicamente, para dejar las cadenas poliméricas más

expuestas. Esté método consiste en la adsorción de las enzimas de la fase liquida

sobre la superficie de la celulosa, la biodegradación de la celulosa en azucares

simples y la desorción de la celulosa de la fase liquida. Como resultado se tiene

una área superficial del material lignocelulósico accesible, en donde las enzimas

como celulasas y hemicelulasas interactuan (Taherzadeh & Karimi, 2008). Los

productos de reacción de las enzimas peroxidasas y lacasas, son tóxicos para los

microorganismos etanologénicos, por lo que deben ser eliminados (Saval, 2012).

Unas de las desventajas de estos métodos convencionales son los costos

elevados de las enzimas y los tiempos de reacción prolongados.

10

Recientemente, diversos investigadores han reportado la hidrólisis de residuos

lignocelulósicos por medio de agua sub y supercrítica. Este proceso toma ventaja

de la capacidad del agua sub y supercrítica de disolver compuestos orgánicos, ya

que adquiere alta difusividad que le permite penetrar en las matrices sólidas mejor

que los disolventes convencionales. Es sabido que la tensión superficial disminuye

por lo que puede introducirse fácilmente en materiales sólidos poco porosos,

también disminuye su viscosidad, manejando amplios rangos de densidad al

realizarse moderados cambios de temperatura y de presión (Xiuyang et al, 2000).

A continuación presentan los resultados de la aplicación de la técnica de hidrólisis

en agua subcrítica para el aprovechamiento de residuos lignocelulósicos de la

cáscara de arveja (Pisum sativum L.), con el fin de obtener azucares reductores. A

tal fin, se evaluó el efecto combinado de los factores temperatura, tiempo de

reacción, presión y relación agua/ material lignocelulósico, manejados en rangos

establecidos a partir de corridas preliminares. El proyecto se basa en un diseño

experimental 2K, para este caso es 24, siendo necesarias 36 corridas, las cuales

fueron 16 combinaciones con su respectiva replica y 4 corridas a modo de puntos

medios o de control. Los experimentos se realizaron en un reactor Batch y el

calentamiento se llevó a cabo en un horno. Se cuantificó la presencia de los

azucares reductores por medio de la técnica DNS, allí se realizó previamente la

cuantificación de azucares presentes en la muestra de cáscara de arveja sin

tratamiento, para tener una concentración inicial de azúcares, la cual se discriminó

a la hora de leer en el espectrofotómetro (540 nm) cada hidrolizado de las

respectivas corridas. Acto seguido, se realizó el análisis de ciclo de vida del

proceso de hidrólisis subcrítica a escala laboratorio, dividido en 4 fases, con el fin

de evaluar los impactos positivos y negativos de dicha técnica proponiendo

alternativas de mejoramiento. Finalmente se realiza un análisis estadístico con las

eficiencias obtenidas mediante el programa Minitab 15 encontrando la relación

entre los factores estudiados.

11

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Estudiar el efecto combinado de los factores presión, temperatura, tiempo de

reacción y relación agua/material lignocelulósico en la hidrólisis en agua subcrítica,

con el fin de obtener azucares reductores a partir de la cáscara de arveja (Pisum

Sativum L.), teniendo en cuenta el desempeño ambiental de la técnica nombrada

anteriormente

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Definir los procedimientos de pretratamiento del material tal como

deshidratación, condiciones de almacenamiento y reducción de tamaño.

Establecer las especificaciones con las cuales debe contar el reactor tipo

Batch, que garanticen las condiciones de trabajo.

Establecer las condiciones de trabajo con respecto a las variables a manejar

como temperatura, tiempo de reacción, relación en peso de agua/ material

lignocelulósico y presión, que reporten mejores porcentajes referentes a la

concentración de azucares.

Establecer los porcentajes de rendimiento de los azucares fermentables

obtenidos luego del tratamiento de la biomasa residual.

Definir el desempeño ambiental del proceso a emplear para la obtención de

azucares reductores.

12

1. MARCO DE REFERENCIA

1.1. MARCO TEÓRICO

1.1.1.1. BIOMASA

Bajo el término biomasa se incluye toda la materia orgánica que tiene su origen

inmediato en un proceso biológico (Fernández, 1995). La formación de biomasa

vegetal a partir de luz solar se lleva a cabo mediante la fotosíntesis, gracias a la

cual se forman moléculas de alto contenido energético en forma de energía

química. La producción de biomasa a escala global en el planeta es muy alta,

estimando que la fotosíntesis fija anualmente 2,2 x 10 11 toneladas de peso seco

de biomasa, lo que supone unas diez veces la demanda energética mundial. La

biomasa o material lignocelulósico tienen tres componentes fundamentales, los

polisacáridos como celulosa y hemicelulosa, la lignina y otras sustancias que no

forman parte de la pared celular como grasas, ceras, alcaloides, proteínas y

fenoles simples (Domínguez, 2003) como se muestra en la Ilustración 1.

Ilustración 1. Composición general de material lignocelulósico

Fuente: (Mood et al., 2013)

Según Ballesteros (2001) la biomasa se puede clasificar de acuerdo a su origen

en:

Biomasa natural, producida en los ecosistemas naturales. Aunque es una de las

principales fuentes energéticas en los países en vías de desarrollo, no es la más

adecuada para un aprovechamiento energético masivo, ya que podría originar una

rápida degradación de los ecosistemas.

13

Biomasa residual, residuo de los procesos productivos de los sectores agrícola,

forestal e industrial. Los residuos agrícolas proceden de los cultivos leñosos y

herbáceos, destacando los producidos en los cultivos de cereal. Los de origen

forestal proceden de los tratamientos silvícolas, de mejora y mantenimiento de los

montes y masas forestales. También se pueden considerar incluidos en este grupo

los residuos de la industria papelera y la fracción orgánica de los residuos

domésticos e industriales, los cuales no sólo no tienen valor económico en el

contexto en que se generan, sino que suelen provocar problemas ambientales en

su eliminación.

A partir de la biomasa residual se puede obtener combustibles de segunda

generación, el cual se obtiene de polímeros de carbohidratos complejos como la

hemicelulosa y la celulosa, que comparado con el bioetanol de primera generación

son procesos simples, sin embargo sus materias primas no son abundantes (frutos

y tubérculos), con excepción de la caña de azúcar, además por ser fuente de

alimentación humana, amenazan la seguridad alimentaria de la zona. Finalmente,

los residuos agroindustriales si bien son abundantes, su uso es complejo pues

primero se necesita sacarificar la materia prima, es decir, liberar carbohidratos

simples como la glucosa de estructuras complejas como la lignocelulosa (USDE,

2006; Jutakanoke, et al., 2012).

1.1.2. AZUCARES REDUCTORES

Se reconoce que a partir de jugos frutales, caña de azúcar, tubérculos, semillas

hojas, tallos y cáscaras se pueden obtener azucares reductores capaces de ser

fermentados tales como la fructosa, sacarosa, almidón, celulosa y xilosa, en

especial la glucosa las cuales al pasar por un proceso de glicolisis y fermentación

se puede obtener etanol como se muestra en la Ilustración 2.

14

Ilustración 2. Materias primas, rutas metabólicas y procesos para la

producción de bioetanol

Fuente: (Zamora et al. ,2014)

Cabe resaltar que los azúcares reductores son aquellos azúcares que poseen

su grupo carbonilo intacto (grupo funcional que tiene un átomo de carbono unido

con un doble enlace a un átomo de oxígeno) como se observa en la Ilustración 3.

Ilustración 3. Estructura química de la glucosa

Fuente: (Textos científicos, 2013)

Las fuentes reconocidas de azúcares reductores son aquellas que se utilizan para

la producción de bioetanol como los cultivos de maíz, caña de azúcar, remolacha

azucarera y yuca Manihot utiisísima (Otero et al,. 2005). A través de los estudios

realizados en los ultimos años, se observa que los azucares reductores son

15

necesarios en la producción de alcohol, en la industria alimenticia, en la

producción de biocombustible y en la industria farmacéutica (Ximhai, 2012;

Chávez et al., 2013).

1.1.3. ARVEJA (Pisum sativum L.)

En Colombia, de acuerdo con la Federación de Cultivadores de Cereales y

Leguminosas Fenalce (2010), se obtuvo en el 2008 una producción estimada de

arveja de 80 mil toneladas. Se estima que por cada tonelada de arveja producida,

su vaina en peso fresco representaba 450 kg, es decir, que 45% del cultivo de

arveja es considerado como un residuo agroindustrial (Hurtado, 2005). En sitios

como los centros de acopio, la vaina de arveja es uno de los residuos agrícolas

más representativo después de la hoja de mazorca y los sobrantes de las

hortalizas. Por esta razón, es conveniente buscar una opción de manejo de este

tipo de material. Actualmente la variedad más sembrada es la Santa Isabel,

adaptada a altitudes entre 2.200 y 3.000 metros, se cosecha entre 115 y 145 días

en verde y hasta 160 días en seco, sus rendimientos fluctúan entre 900 y 1.200

kg·ha-1 (Sánchez y Mosquera, 2006; Buitrago et al., 2006).

En la Tabla 1 se muestra la caracterización química de la arveja fresca variedad

Santa Isabel, la cual es la que demanda mayor consumo. Se puede observar que

el contenido de fibra es alto, lo que demuestra que este material presenta buenas

condiciones para ser utilizado en la obtención de azúcares fermentables.

Tabla 1. Caracterización química vaina de arveja fresca variedad Santa Isabel

Fuente: González, 2010

16

En el estudio realizado por González en el 2010, se realizaron nueve diferentes

procedimientos para caracterizar la vaina de la arveja variedad Santa Isabel, se

evidenció que el promedio de porcentaje de celulosa es 26 %, 32% de

hemicelulosa, 57% de holocelulosa (sumatoria de celulosa y hemicelulosa) y 18%

de lignina. A continuación en la Gráfica 1 se muestra el contenido de material

lignocelulósico de arveja fresca:

Gráfica. 1.Contenido de material lignocelulósico para los nueve tratamientos

manejados.

Fuente: González, 2010

1.1.4. HIDRÓLISIS CONVENCIONAL

La hidrólisis es entendida como una reacción en donde la molécula de agua se

divide y sus átomos son precursores para otra especie quimica más simple,

actuando como un disolvente de compuesto orgánicos. La hidrólisis convencional

permite optimizar la generación de productos, ya que es vista como un

pretratamiento para desestabilizar la estructura lignocelulósica de la biomasa,

compuesta por celulosa, que es de estructura cristalina y la lignina que es un

compuesto resistente a la degradación química y biológica (Taherzadeh & Karimi,

2008)

17

Hidrólisis ácida

La hidrólisis ácida es vista como un pretratamiento para los materiales

lignocelulósicos. En estos procesos se utiliza generalmente ácido sulfúrico, sin

embargo, ácido clorhídrico y ácido nítrico también son utilizados. Este tipo de

hidrólisis puede desarrollarse a altas temperaturas y bajas concentraciones de

ácido o a bajas temperaturas y altas concentraciones de ácido. (Taherzadeh &

Karimi, 2008)

La hidrólisis con ácido diluido es probablemente la más aplicada en métodos de

pretratamiento para la obtención de azucares fermentables, ya que permite

remover el 100% de la hemicelulosa, a elevadas temperaturas (140-190 °C) y baja

concentración de ácido sulfúrico (0.1-1%). El tratamiento puede generar tasas de

reacción altas que mejoran significativamente la hidrólisis de la celulosa, por

ejemplo la paja de arroz pretratado con ácido sulfúrico al 1% durante 1 a 5 minutos

de tiempo de retención a 160 y 180 °C seguido de hidrólisis enzimática se obtiene

83% de rendimiento de azúcar (Guo et al., 2010). El pretratamiento no es efectivo

para disolver lignina, pero puede interrumpir las cadenas de lignina y aumentar la

susceptibilidad de la celulosa a ser hidrolizada. El pretratamiento con ácido diluido

puede actuar en tiempos de retención cortos (5 min) a altas temperaturas (180 °C)

o a largos tiempos de retención (30-90 min) y a bajas temperaturas (120 °C). La

hidrólisis de ácido diluido puede ser combinada con otros químicos. Por ejemplo,

se reporta que al pretratar bagazo en solución de ZnCl2 y 0.5% HCl, a 145°C

durante 10 min, enfriado y precipitado con acetona, la biomasa muestra un

rendimiento de hidrólisis de celulosa del 93%. (Taherzadeh & Karimi, 2008)

Por otro lado, a bajas temperaturas (40°C) y ácido concentrado, son más las

ventajas comparada con los procesos de ácido diluido, no obstante, a altas

concentraciones de ácido (30-70%), los procesos son extremadamente peligrosos

y corrosivos, siendo necesarias estructuras especializadas, yeso para la

neutralización del proceso y la recuperación de ácido, aumentando así costos en

el proceso. Los altos costos por mantenimiento e inversión reducen los intereses

18

comerciales en esta opción. El mayor inconveniente de este pretratamiento en

particular es el bajo pH y la formación de inhibidores como ácidos carboxílicos,

furanos y compuestos fenólicos. Estos químicos no afectan a las enzimas de la

hidrólisis pero usualmente inhiben el crecimiento microbiano de la fermentación,

por tanto si se desea utilizar los azucares reductores en producción de etanol o

biogás, su productividad será baja. (Taherzadeh & Karimi, 2008)

Hidrólisis enzimática

La hidrólisis enzimática de material lignocelulósico sin un tratamiento previo,

generalmente no es efectiva ya que este material posee una estructura estable

que no permite el ataque de enzimas ni de bacterias. Para el desarrollo de esta

técnica es es necesario remover previamente la lignina y la hemicelulosa, lo que

permite incrementar el area superficial de la celulosa. Algunos investigadores no

consideran el acceso al área superficial como un factor que afecta la hidrólisis

enzimática.

La primera parte de la hidrólisis enzimática consiste en la adsorción de las

enzimas celulasas de la fase líquida sobre la superficie de la celulosa , en

segundo lugar la biodegradación de la celulosa en azucares simples,

principalmente celobiosa y oligomeros, y finalmente la desorción de la celulosa de

la fase líquida. De este modo, la reacción es catalíca heterogénea y directa por el

contacto fisico entre las enzimas y la celulosa. Como resultado se tiene una área

superficial accesible del material lignocelulósico, en donde las enzimas que son

las limitantes de este tipo de hidrólisis interactuan. (Taherzadeh & Karimi, 2008)

Redding y colaboradores (2011) realizaron hidrólisis enzimática en tubos de

centrífuga de 50 ml a 55 °C y 155 rpm de agitación durante 72 horas. Cada tubo

primero fue cargado con 0,5 g de biomasa seca pretratada. Las enzimas utilizadas

fueron celulosa NS-50013 y celobiosa NS-50010, las cuales se adicionaron en un

exceso de 40 FPU (filter paper units) de celulosa por gramo de biomasa seca y 70

CBU (cellobiose units) de celobiosa por gramo de biomasa seca, lo cual evitaba

cualquier limitación en la producción de azucares causados por deficiencia de la

19

enzima. Fue necesario un inhibidor de crecimiento microbiano y citrato de sodio

para mantener el pH en 4,8 durante la hidrólisis enzimática.

Hidrólisis alcalina

En la hidrólisis alcalinal se utilizan soluciones de NaOH, Ca(OH)2 o amoniaco a

bajas temperaturas con el fin de remover lignina y parte de la hemicelulosa,

aumentando eficientemente la accesibilidad del material, incrementando los

rendimientos de sacarificación. Sin embargo, este procedimiento al desarrollarse a

bajas temperaturas requiere largos tiempos (desde horas hasta días) y altas

concentraciones de base. El tratamiento alcalino muestra mejor efectividad en

residuos agroindustriales que en materiales de madera, no obstante la

solubilización de la hemicelulosa y la celulosa en este método es menor

comparada con los procesos ácidos. Por otro lado, también se reconoce que el

hidróxido de sodio llega a niveles de delignificación del 65% sumergido en

solución de NaOH al 2% durante 90 min a 121°C, así como, conversión de

celulosa (60.8%). Al comparar los reactivos ácidos u oxidantes con respecto a los

alcalinos, este último es el más efectivo para el rompimiento de enlaces estéricos

entre lignina, hemicelulosa y celulosa, evitando la fragmentación de los polímeros

de hemicelulosa. (Taherzadeh & Karimi, 2008). En un estudio se pretrató pasto

costero en una solución de NaOH 0,75% durante 15 minutos , del cual se reporta

71% de rendimiento en reduccion de azucares. (Mood et al, 2013). Los

pretratamientos alcalinos son utilizados en la producción de biogás y también

cuando se tiene una muestra con altas cargas de lípidos y compuestos fenólicos,

se trabaja con soluciones de Ca (OH)2 (Taherzadeh & Karimi, 2008).

1.1.5. FLUIDO SUPERCRÍTICO

Un fluido supercrítico es aquel que se encuentra en un estado a temperatura y

presión superiores a las del punto crítico, para el caso del agua, las condiciones

son 374°C y 22 MPa (218 atmosferas). En la Ilustración 4 se muestra un diagrama

20

de presión de vapor versus temperatura para una sustancia pura, donde se

observa que en el punto de temperatura y presión críticas la distinción entre las

fases líquida y gas desaparece, formándose una sola fase homogénea o fase

supercrítica.

Ilustración 4 Diagrama de fase de un fluido, con la curva de presión de vapor

y su punto crítico.

Fuente: Yesodharan, 2002

Una ventaja de manejar agua supercrítica es el aumento de la solubilidad de los

compuestos orgánicos en el agua conforme incrementa la temperatura y

consecuentemente decrece la constante dieléctrica, reduciendo las fuerzas entre

partículas cargadas, comportándose como un solvente. Por otro lado, se reconoce

que el comportamiento del agua supercrítica es diferente del que se observaría al

tener agua en condiciones normales, ya que las tasas de reacción en agua

supercrítica son más rápidas con respecto a las que se reportan en agua en

condiciones normales, debido a la alta temperatura en la reacción (Yesodharan,

2002).

21

1.1.6. HIDRÓLISIS EN AGUA SUB O SUPERCRÍTICA

Mediante la hidrólisis de material lignocelulósico se obtienen productos como

glucosa, fructosa y oligómeros. La hidrólisis en condiciones supercríticas tiene una

mayor tasa de reacción que la hidrólisis ácida, además no requiere catalizadores,

disminuyendo así la generación de subproductos (Ortega, 2009). Las condiciones

subcríticas (temperaturas entre 250 a 350 °C) y supercríticas (temperaturas

mayores a 374 °C), permiten que el agua actué como un catalizador en reacciones

ácido-base, en donde la separación del soluto se realiza por enfriamiento. A

dichas condiciones el agua puede disolver compuestos orgánicos, ya que adquiere

alta difusividad que le permite penetrar en las matrices sólidas, con un rendimiento

mejor que el de los disolventes convencionales. Así mismo, la tensión superficial

disminuye por lo que puede introducirse fácilmente en materiales sólidos poco

porosos. La viscosidad del agua disminuye, lo cual permite manejar amplios

rangos de densidad al realizar moderados cambios de temperatura y de presión

(Xiuyang et al, 2000).

La hidrólisis en condiciones sub y supercticas actualmente es vista como una

alternativa eficiente para la desestabilización de material lignocelulósico, ya que no

requiere de largos tiempos de reaccion, ni de insumos químicos para

desarrollarse, generando pocos o ningún subproducto. Al realizar una línea de

tiempo en cuanto a los estudios realizados en condiciones sub o supercríticas se

encuentra que para el 2000 Xiuyang desarrolló un prototipo a escala que

permitiera condiciones de trabajo extremas de 600°C, a 40 MPa, tiempo de

residencia de 24 a 15 min y una alimentación de 2,4 L/h de un lodo de agua y

celulosa microcristalina, lo cual no resultó eficiente para disolver compuestos

orgánicos. Sin embargo, obtuvo ácidos, oligómeros (Oli), glucosa (Gl), fructosa,

pirualdehído (PA), 5-hidroximetil furfural (5-HMF) y furfural a una temperatura de

523K (250 ºC) y una presión de 25 MPa. Concluyendo que las condiciones de

trabajo no eran eficientes para disolver compuestos orgánicos. Por su parte,

Sasaki y colaboradores (2000) reportaron que la descomposición de celulosa

22

microcristalina se puede llevar a cabo en agua sub y supercrítica, es decir, a

25Mpa y 320 a 400 ºC respectivamente. Encontrando que a 320-360ºC el

principal producto de la hidrólisis es la glucosa en forma acuosa. Por debajo de

350 ºC, la tasa de descomposición de la celulosa aumenta drásticamente y

comienza a ser más alta que la de los otros compuestos. Lo anterior se debe

probablemente a la ruptura de puentes de hidrogeno intra e intermoleculares en la

celulosa en donde se forma una atmósfera homogénea en agua subcrítica.

En la literatura reciente se reportaron diversas investigaciones con distintos tipos

de biomasa y diferentes condiciones de reacción. Por ejemplo, Ehara y Saka para

el 2005 utilizaron un sistema Batch con el cual obtuvo 40% p/p de azucares

reductores a partir de celulosa, en condiciones de 380°C y 5 s de tiempo de

hidrólisis, mientras Zhao y colaboradores (2009) obtuvieron 63% p/p de azucares

reductores a partir de celulosa manejando 380°C y 16 s. En ambos experimentos

se manejó una presión de 24 Mpa.

Olanrewaju (2012) investigó la hidrólisis de celulosa cristalina y almidón a

condiciones supercríticas entre los 280 a 340 °C y 35 Mpa, utilizando un reactor

tubular de flujo continuo (10 mL/min). Encontrando disacáridos como la celobiosa

y maltosa, monosacáridos como la glucosa y fructosa, y aldehídos como furfural y

HMF (Hidroximetilfurfural). En condiciones subcríticas el rendimiento de los

monosacáridos incrementa relativamente con el tiempo de residencia, mientras el

rendimiento obtenido a condiciones supercríticas decrece con el tiempo de

residencia y aumenta con la temperatura, por tanto a temperaturas subcríticas los

hidrolizados como glucosa, fructosa, y celobiosa exhiben buen rendimiento de

descomposición, pero conforme aumenta la temperatura los hidrolizados

empiezan a degradarse.

Cabe resaltar que el tiempo de residencia a condiciones supercríticas parece

menor que a condiciones subcríticas, la razón se debe a la densidad del agua

supercrítica la cual es más baja que la de agua subcrítica. Así mismo, los

rendimientos de maltosa exceden el rendimiento obtenido por cualquier otro

hidrolizado en temperaturas subcríticas, sin embargo a 300 °C, el rendimiento de

23

los disacáridos es relativamente menor y decrece conforme aumenta el tiempo de

residencia. Mientras a 320°C, el rendimiento obtenido por la maltosa

aparentemente es constante pero menor al de los monosacáridos.

Prado y claboradores (2013) evaluaron en un reactor de flujo continuo con

capacidad de 50 mL e hidrólisis a condiciones subcríticas. El reactor trabajó a una

presion de 20 MPa, con un flujo de 33 mL/min y un tiempo de reacción de 30 min a

213, 251 y 290 °C, a pesar de que no se obtuvo una relación que indique que a

mayor temperatura mejor reducción de material a azucares, si se evidencia

porcentajes de 31%, 5 % y 8 % de residuo sólidos presentes en la muestra para

las temperaturas nombradas respectivamente. Análogamente, Cantero y

colaboradores (2013) trabajaron con un reactor de flujo continuo, el cual se

somete a temperaturas de 400°C y un tiempo de hidrólisis de 0,01 a 0,03 s,

obteniendo 96% w/w en selectividad de azucares a partir de celulosa.

Cardenas y colaboradores (2014) llevaron a cabo de hidrólisis en condiciones

supercriticas de fibra de palma comprimida a flujo continuo, a presiones entre 15 y

25 Mpa con temperaturas entre 150–360 ºC, con relación agua/material entre 120

y 240 y un tiempo de residencia de 1.25 a 5 min. Se reportó que a una

temperatura de 250ºC se obtiene una alta conversion de biomasa 40–97%, para

cualquier presión y relación agua/material. Sin embargo, se destaca que a esa

temperatura, 15 MPa, y una relación solvente /alimento de 120 con tiempo de

reacción 30 min, se genera una conversión de material del 84.9%.

1.2. MARCO CONCEPTUAL

Alternativas de aprovechamiento de residuos. Fases sucesivas de separación

y recogida de materiales residuales en el lugar de su origen, preparando estos

para la reutilización, el reprocesamiento y la transformación en nuevos productos,

lo cual tiene el objetivo económico de valorizar el residuo y /o obtener un producto

o subproducto utilizable, reincorporándose al ciclo económico y con valor

comercial (Ministerio del Medio Ambiente, 1997).

24

Ácido 3,5-Dinitrosalicico (DNS o DNSA). El DNS o también nombrado acido 2-

hidroxi-3,5-dinitrobenzoico es un compuesto con un anillo bencénico

tetrasubstituido por dos grupos nitro, un hidroxilo y un carboxilo, es un sólido de

color amarillo, inodoro con punto de fusión de 182ºC, altamente soluble en alcohol

y moderadamente en agua. Su fórmula molecular es C7H4N2O7 y peso molecular

228,12 g/mol. Este reacciona en la reducción de azucares y otras moléculas

reductoras para formar acido 3-amino-5-nitrosalicilico, que absorbe luz con fuerza

a 540nm (Lide, 1998), por lo tanto es usado en la determinación del contenido de

azúcares reductores solubles. Para ello se ha utilizado el DNS como reactivo

sensible a los productos de reacción, empleando glucosa como reactivo patrón

para la obtención de la curva de calibrado del método (Lide, 1998).

Este procedimiento se fundamenta en la reacción de los grupos reductores de los

productos de reacción catalítica con el reactivo oxidante DNS. El reactivo consiste

en una disolución formada por los siguientes compuestos: ácido 3,5-

Dinitrosalicílico (ácido 2-hidroxi-3,5-dinitrobenzóico), que actúa como oxidante; Sal

de Rochelle (tartrato sódico-potásico), que impide la disolución de oxígeno en el

reactivo e hidróxido sódico, que aporta el medio requerido para que se produzca la

reacción redox. De esta forma, el DNS se reduce, en presencia del grupo reductor

de la glucosa, formando el ácido 3-amino-5-nitrosalicílico, mientras que el grupo

aldehído reductor se oxida, para formar un grupo carboxílico. En este método

analítico el DNS está en exceso frente a los grupos reductores y en todas las

muestras se adiciona la misma cantidad de tal forma que mayores

concentraciones de azúcares reductores provocan una mayor coloración de la

muestra. Estas diferencias de coloración pueden determinarse por espectrometría

visible, a la longitud de onda de máxima absorbancia de 540 nm. (Carrillo, 2002)

Análisis del ciclo de vida. Este análisis es una metodología de evaluación de

impacto ambiental, en donde se evalúan las descargas ambientales asociadas con

un producto, proceso o actividad en todas las etapas de su ciclo de vida,

identificando y cuantificando los materiales y la energía utilizada y los residuos

25

liberados al ambiente, identificando y evaluando las oportunidades para efectuar

mejoras ambientales (Sánchez et al, 2007).

El marco metodológico para llevar a cabo el análisis de ciclo de vida comprende

cuatro fases, en primer lugar se encuentra la definición de objetivos y alcance del

sistema a estudiar, seguido del análisis de inventario en donde se realizan

balances de masa y energía, después la evaluación de impactos mediante la

asignación de ponderaciones a los mismos a fin de indicar su importancia relativa

y finalmente la identificación de soluciones, allí se puede identificar las

posibilidades para mejorar el desempeño del sistema. Esta fase puede incluir,

además, una identificación de las principales etapas del ciclo de vida que

contribuyen a los impactos (Sánchez et al, 2007).

Celulosa. Es un pilisacarido, principal contituyente de la biomasa lignocelulósica.

Las unidades de celulosa se asocian para crear fibrillas de celulosa, las cuales son

unidas por enlaces intra e intermoleculares de hidrogeno, por lo tanto la celulosa

es insoluble en agua y en la mayoria de solventes orgánicos (Mood et al., 2013)

Hemicelulosa. Son biopolimeros ramificados que contienen pentosa, hexosas

y/o acidos orgánicos. La hemicelulosa se encuentra ubicada en las paredes

secundarias de las celulas del material lignocelulítico, y son facilmente

hidrolizables ya que son amorfos, y tienen una estructura ramificada ( cadenas

laterales cortas), asi como, un bajo peso molecular. Conforme se da la digestion

de celulosa, grandes contidades de hemicelulosa son removidas ya que estas

recubren las fibrillas de celulosa, limitando la hidrólisis del material. Las

hemicelulosas dependen de las condiciones de operación en la hidrólisis, de este

modo, parámetros como la temperatura y el tiempo de retencion deben ser

controlados ara evitar subproductos indeseables como el furfural e

hidroximetilfufural, los cuales inhiben procesos de fermentación (Mood et al.,

2013).

26

Lignina. Es un polimero aromático presente en las paredes de la biomasa

lignocelullósica, en donde proporciona rigidez a dichas paredes e impide el ataque

de microorganismos y enzimas sobre la biomasa. La mayoria de las unidades

quimicas de la lignina estan formados por fenilpropano,el cual une sus estructuras

mediante enlaces de matices complejas. (Mood etal., 2013)

2. METODOLOGÍA

2.1. PRIMERA FASE

Revisión Bibliográfica

Se realizó la revisión bibliográfica como primer paso en el presente proyecto, ya

que permite indagar acerca de las condiciones en las cuales se ha llevado a cabo

la hidrólisis en agua subcrítica, con el fin de realizar corridas experimentales bajo

condiciones que han reportado mejores resultados. De esta manera, se utilizó

Science Direct como la principal base de datos a consultar, ya que ofrece cerca de

2500 revistas con gran variedad de artículos científicos, por otro lado, se consultan

estudios nacionales de hidrólisis convencional. Así mismo, se investigó acerca de

las herramientas de análisis factorial para el tratamiento de los datos. La anterior

fase tuvo una duración de 3 meses.

2.2. SEGUNDA FASE

Construcción del Reactor Batch

De acuerdo a las dimensiones del horno en el cual se realizó la hidrólisis

subcrítica, se estableció la longitud y diámetro del reactor, de esta manera se

emplea un tubo de alta presión y de ½” de diámetro marca Swagelok, el cual es

cortado utilizando una prensa, un corta tubo y un implemento para pulir

irregularidades en los extremos de éste después del corte, finalmente queda un

tubo de 9,9 cm de longitud (Ilustración 5), al cual se le acoplan dos tapones (juego

de férulas y tuercas) en cada extremo.

27

Ilustración 5. Corte de tubo de alta presión

Fuente: Autor

El acople de los dos tapones consiste en ubicar la tuerca hembra sobre la tubería,

seguido la tuerca trasera, después la férula delantera y finalmente la tuerca

macho; después de ello se fijan estos tapones a la tubería garantizando un selle

hermético, para ello se requiere de una prensa que sostenga la tuerca macho,

mientras con una llave se ajusta al girarla ¾ de vuelta. Finalmente el reactor

construido es como se observa en la Ilustración 6.

Ilustración 6. Reactor utilizado en la hidrólisis subcrítica

Fuente: Autor

2.3. TERCERA FASE

Recolección de la Muestra

Se toma 1 Kg de vaina de la arveja, la cual se almacena como máximo durante 2

días, y se dispone a deshidratación en condiciones ambiente. La muestra es

tomada de la plaza de mercado del barrio Trinidad Galán, en donde se verificará el

estado de la biomasa residual, la cual debe estar fresca, sin presencia de

descomposición (Ilustración 7).

28

Ilustración 7. Recolección de muestra de cáscara de arveja Fuente: Autor

2.4. CUARTA FASE

Corridas Preliminares

Se realizó un pre-tratamiento físico de la muestra, que consiste en la reducción del

tamaño de la muestra, con ayuda de un molino analítico (ver Ilustración 8),

obteniendo partículas entre 1 a 3 mm, las cuales fueron tamizadas en un tamiz de

500 mm.

Ilustración 8. Molino Analítico y muestra reducida y tamizada a 500mm Fuente: Autor

Se establecieron unos rangos de trabajo para los cuatro factores a evaluar, los

cuales son temperatura, tiempo de reacción y relación agua/ material, mostrados

en la Tabla 2. Los rangos de trabajo se establecieron a partir de investigaciones

29

realizadas en condiciones subcríticas. Temperaturas menores a 250°C no

presentan resultados aceptables en la obtención de azucares reductores y por

encima de 350°C la tasa de degradación de los azucares es drástica, perdiendo

sus propiedades. De igual manera, los tiempos de reacción son relativamente

cortos, ya que al sobrepasar 40 minutos el material se degrada totalmente

carbonizándose, mientras que tiempos menores a 15 minutos, el material queda

prácticamente intacto y no alcanza a reaccionar completamente (Xiuyang et al.,

2000 ;Sasaki et al., 2000). En cuanto a los rangos de relación agua/material se

estableció por peso, evaluando tres relaciones (30:1, 10:1 y 6:1). La presión se

maneja en un rango de 1450 a 3650 psi (10M a 25 Mpa) ya que son las presiones

que mejores resultados reportaron en diferentes estudios, así como, para obtener

un rango amplio de estudio. Los valores anteriores están sujetos a cambio, en

caso de que en las corridas preliminares se presentan mejores eficiencias en

condiciones diferentes, puesto que lo encontrado en la búsqueda bibliográfica son

estudios con material lignocelulósico diferente al de la presente investigación.

Tabla 2. Rangos preliminares de trabajo para los cuatro factores a evaluar

Tiempo de

Reacción

(min)

Temperatura

(°C)

Relación (agua /

material

lignocelulósico)

Presión

(psi)

15- 40 250- 300 6- 30 1450- 3650

Fuente: Autor.

Con los rangos establecidos se realizaran unas corridas preliminares para ajustar

las condiciones de la fase experimental. Normalmente una corrida inicia abriendo

uno de los extremos del reactor, luego se inyecta la mezcla de agua y material

lignocelulósico dependiendo de la relación establecida, finalmente se cierra el

reactor con ayuda de una llave, y es llevado al horno precalentado a la

temperatura correspondiente a la corrida durante el tiempo de reacción

determinado, una vez se termina la reacción se enfría súbitamente en un baño de

agua fría.

30

2.4.1. ALIMENTACIÓN DEL REACTOR

Para empezar con las corridas preliminares es necesario determinar el volumen de

agua a inyectar y la cantidad de material lignocelulósico con la que se alimentará

el reactor. Para ello se utiliza el software libre Chemicalogic Steam Tab, en donde

se definen las propiedades del agua en las diferentes condiciones de trabajo, en

primer lugar se asume el fluido como un vapor sobrecalentado.

El fabricante de la tubería de alta presión a utilizar, reporta que para tubos de ½”

de diámetro, su diámetro externo (Ɵe) es de 1,27 cm y el espesor (e) del tubo de

0,17 cm, con lo anterior se determina el diámetro interno (Ɵi) de la siguiente

manera:

( )

Acto seguido se determina el área en el reactor:

( )

Finalmente se halla el volumen en el reactor:

Con ayuda del software libre Chemicalogic Steam Tab, se establece la cantidad de

agua en cada corrida según condiciones de trabajo, en primer lugar en la pestaña

31

de fluido supercalentado, se introduce en dicha interfaz la temperatura de la

corrida y la presión, se procede a calcular y en la cuarta fila se lee el volumen que

reporta dicho software, con este se conoce el volumen de agua a inyectar en el

reactor y dependiendo de la relación en peso de agua/material, se define la

cantidad de cáscara de arveja a inyectar en el reactor. A continuación se realiza el

ejemplo de cálculo para la primera corrida preliminar #1 (ver Ilustración 9), la cual

se llevó a cabo a 250°C, 1450 psi, 30 minutos de reacción y una relación

agua/material de 30.

Ilustración 9. Software Chemicalogic Steam Tab

Fuente: Autor

Volumen de agua:

Basándose en la densidad del agua a 4°C y 1 atm de presión, se sabe que es de 1

g/ml por tanto la cantidad de agua a inyectar en este caso es de:

32

Cantidad de material

Tomando el volumen de agua a inyectar se aplica la relación según corresponda,

para esta primera corrida se maneja una relación de 30:1, es decir, por 1 gramo de

material tendré en el reactor 30 ml de agua, por tanto, se obtiene:

2.4.2. AZUCARES PRESENTES EN LA MUESTRA

La cantidad producida de azucares reductores, se estimó por medio del método

DNS, basado en la reducción del reactivo, lo cual se observa al ver un cambio de

color amarillo a color rojo ladrillo. En primer lugar, se parte de la preparación de un

patrón de glucosa a una concentración de 1 mg/mL, después se prepara el

reactivo DNS, para ello se disuelve 30 g de Tartrato de Na–K, en 30ml de agua

destilada caliente, así mismo se disuelve 1g de reactivo DNS en 30 ml de agua

destilada a 45ºC y se adiciona gradualmente 1,6 g de NaOH (Hidróxido de sodio)

hasta disolver completamente. Se adiciona gradualmente la solución de tartrato a

la de DNS-NaOH. Lo anterior se deja enfriar, se afora a 100ml y se envasa en

frasco ámbar, es necesario dejarlo reposar por 24 horas antes de su uso.

Continuando con el método de cuantificación de azúcares se realiza la curva de

calibración, para ello se adicionan a tubos de ensayo los volúmenes de patrón

glucosa y agua destilada como se especifica en la Tabla 3.

33

Tabla 3. Volúmenes de patrón glucosa y agua para la curva de calibración

#

Muestra

Volumen

de glucosa

(µl)

Volumen

de Agua

(µl)

Concentración

de glucosa

(mg/ml)

Blanco 0 1000 0

1 50 950 0,05

2 70 930 0,07

3 90 910 0,09

4 100 900 0,10

5 150 850 0,15

6 200 800 0,20

7 250 750 0,25

8 300 700 0,30

9 350 650 0,35

10 400 600 0,40

11 450 550 0,45

12 500 500 0,50

13 600 400 0,60

14 650 350 0,65

15 700 300 0,70

16 750 250 0,75

17 800 200 0,80

18 850 150 0,85

19 900 100 0,90

20 950 50 0,95

21 1000 0 1,00

Fuente: Autor

Para la medición de azúcar en los puntos de calibración, se adiciona un mililitro de

reactivo DNS a cada tubo de ensayo, el cual pasa al termoreactor por 15 minutos

34

a 100°C, luego se deja reposar por 15 minutos en agua con hielo en oscuridad,

después se procede a medir en absorbancia de 540 nm, de donde se obtienen los

datos presentados en la Tabla 4.

Tabla 4. Lectura de los puntos de calibración. Absorbancia 540 nm

N°

Muestra

Absorbancia

(540 nm)

Absorbancia

Corregida

Blanco 0,003 -------

1 0,04 0,037

2 0,11 0,107

3 0,153 0,15

4 0,171 0,168

5 0,291 0,288

6 0,467 0,464

7 0,527 0,524

8 0,672 0,669

9 0,784 0,781

10 0,941 0,938

11 1,019 1,016

12 1,129 1,126

13 1,223 1,217

14 1,496 1,49

15 1,695 1,689

16 1,751 1,745

17 1,81 1,804

18 1,947 1,941

19 2,014 2,008

20 2,187 2,181

21 2,532 2,526

Fuente: Autor

35

De esta manera se realiza una regresión lineal como se observa en la Gráfica 2,

tomando las concentraciones de glucosa estipuladas en la Tabla 3 y lecturas de

absorbancia (540nm) corregidas en la Tabla 4.

Gráfica. 2. Curva de Calibración

Fuente : Autor, 2015.

Al realizar la regresión lineal se define la ecuación de la recta de la forma

, la cual se muestra en la parte derecha de la Gráfica 2, con esta se

despeja en función de X para determinar la concentración de azúcares en mg/ml.

A su vez se aplican otros factores como V agua, W y 100/1000 con el fin de

expresar el resultado en % de azúcares reductores.

y = 2,4052x - 0,0689 R² = 0,9928

00,20,40,60,8

11,21,41,61,8

22,22,42,6

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Ab

sorb

anci

a a

54

0n

m

Concentración de glucosa (mg/ml)

Curva de Calibración (Concentración de glucosa Vs. Absorbancia corregida)

36

Dónde:

Abs: Lectura a 540nm (absorbancia)

b: punto de corte , 0,0689.

m: Pendiente de la recta , 2,4052.

V agua: Volumen de agua destilada

en la corrida (mL)

W: Cantidad de material en el reactor

(g)

100: Factor para expresar en

porcentaje

1000: porque la [ ] del patrón se

maneja en mg/ml y el resultado se

expresa en gramos

De esta manera se cuantifican los azúcares presentes en la cáscara de arveja sin

ningún tipo de tratamiento. Para empezar, se pesaron 1,5387 g de cáscara sin

reducción de tamaño y se mezclaron en un vaso de precipitado con 80 ml de agua

a 100 °C en una plancha de calentamiento (ver Ilustración 10), durante 15

minutos. Para realizar la medición se extrae 1 ml de la mezcla y se realiza el

método DNS, como anteriormente se explicó.

Ilustración 10.Plancha de Calentamiento

La lectura de absorbancia a 540 nm en el espectrofotómetro reportó 0,857 y

mediante la ecuación de la curva de calibración se obtiene:

(

)

37

Finalmente, se procedió a determinar el porcentaje de azucares presentes en la

cáscara de arveja, de este modo:

2.4.3. RESULTADOS CORRIDAS PRELIMINARES

En la Tabla 5 se muestran los resultados de las corridas preliminares, en las

cuales se evaluaron puntos dentro de los rangos preliminares establecidos para

cada factor a estudiar. Las abreviaturas de R, [ ] sin F.D y [ ] Final hacen

referencia a la relación agua/ material en peso, la concentración de azucares sin

factor de dilución y la concentración final de azucares, respectivamente. El

porcentaje de azucares parcial difiere del porcentaje de azucares total, ya que a

este último se le resta el porcentaje de azucares inicial que contiene la cáscara de

arveja el cual es de 2 %.

Tabla 5. Resultados de concentración y eficiencia para las corridas

preliminares

# C

orr

ida

Tem

pera

tura

(°C

)

Pre

sió

n (p

si)

Tie

mp

o (

min

)

Vo

lum

en

de

ag

ua (

mL

)

Peso

de la

cásc

ara

(g

)

R (

P/P

)

Ab

so

rban

cia

(540 n

m)

[ ]

sin

F.D

(mg

/ml)

[ ]

Fin

al

(mg

/ml)

Po

rcen

taje

de

azú

care

s

parc

ial (%

)

Po

rcen

taje

de

azú

care

s

tota

l (%

) 1 250 1450 30 5,418 0,18 30 0,826 0,372 7,441 22,399 20,399

2 250 1450 60 5,418 0,18 30 0,318 0,161 3,217 9,684 7,684

3 250 1450 15 5,418 0,18 30 0,484 0,230 4,598 13,839 11,839

4 250 1450 20 5,418 0,18 30 0,739 0,336 6,718 20,221 18,221

5 250 1450 40 5,418 0,18 30 0,464 0,222 4,431 13,338 11,338

6 300 1450 30 4,81 0,16 30 0,461 0,220 4,406 13,246 11,246

7 300 3190 30 4,966 0,827 6 0,779 0,352 7,051 4,234 2,234

8 300 3190 15 4,966 0,165 30 0,82 0,369 7,391 22,246 20,246

9 300 3190 15 4,916 0,819 6 1,865 0,804 16,081 9,653 7,653

10 300 3190 15 4,966 0,496 10 2,518 1,076 21,511 21,537 19,537

11 300 3190 30 4,916 0,491 10 0,913 0,408 8,165 8,175 6,175

Fuente: Autor

38

De acuerdo a los valores obtenidos en las corridas preliminares, basados en la

concentración final, se opta por trabajar en los siguientes rangos mostrados en la

Tabla 6.

Tabla 6. Rangos definitivos para corridas experimentales

Tiempo de

Reacción

(min)

Temperatura

(°C)

Relación (agua /

material

lignocelulósico)

Presión

(psi)

15 -30 250- 300 6- 30 3190 - 3650

Fuente: Autor

Estos valores en cuanto a temperatura y tiempo permiten obtener un hidrolizado,

aparentemente sin carbonizar. La relación de agua /material, se estableció para

evaluar dos polos opuestos como lo es una relación 30:1 y 6:1, en donde la

primera es baja con respecto a la cantidad de material agregado y la segunda es

una relación alta en cantidad de material a hidrolizar, lo cual indica que en la

primera condición se requiere más agua, lo que significa que en un proceso

industrial, se manejarían altos costos por manejo de vertimientos y requerimiento

de agua. Finalmente se optó por las presiones de 3190 y 3650 psi, ya que en la

mayoría de investigaciones consultadas se trabajan con condiciones cercanas o

superiores a los 22 Mpa (3190 psi).

2.5. QUINTA FASE

2.5.1. DISEÑO EXPERIMENTAL

Se ejecutó el estudio experimental de acuerdo con un diseño factorial 2k

completamente aleatorio con las condiciones establecidas en la fase anterior, en

donde, k se refiere al número de factores a evaluar, que para este caso son la

temperatura (A), el tiempo de reacción (B), la relación en peso de agua/ material

(C) y presión (P), por tanto se manejará un diseño 24. El número 2 se refiere a los

niveles de trabajo, uno alto y uno bajo para cada uno de los factores que serán

estudiados como se muestra en la Tabla 7, junto con los valores centrales.

39

Tabla 7. Niveles de trabajo para cada uno de los factores.

FACTOR BAJO

(-1)

ALTO

(+1)

CENTRAL

(0)

Temperatura (°C) 250 300 375

Tiempo de reacción (min) 15 30 22,5

Relación agua/ material 30 6 18

Presión (Psi) 3190 3650 3420

Fuente: Autor.

Con los niveles alto y bajo de cada uno de los factores observados en la anterior

tabla, se pueden establecer las 16 combinaciones posibles, las cuales se

realizarán por replica y 4 corridas de control (central) como se muestra en la

Tabla 8, en donde -1 hace referencia al nivel bajo y +1 hace referencia al nivel

alto.

Tabla 8. Matriz de diseño

Eti

qu

eta

T (

ºC)

t (m

in)

Pre

sió

n

(ps

i)

Rela

ció

n

(a/m

)

A -1 -1 -1 +1

B +1 -1 -1 +1

C -1 -1 +1 +1

D +1 -1 +1 +1

E -1 -1 -1 -1

F +1 -1 -1 -1

G -1 -1 +1 -1

H +1 -1 +1 -1

I -1 +1 -1 +1

J +1 +1 -1 +1

K -1 +1 +1 +1

40

L +1 +1 +1 +1

M -1 +1 -1 +1

N +1 +1 -1 -1

O -1 +1 +1 -1

P +1 +1 +1 -1

Q1 275 22,5 18 3420

Fuente: (Montgomery, 2001)

El volumen a inyectar de agua y la cantidad de muestra en el reactor de acuerdo al

proceso desarrollado en la fase preliminar se ilustra en la Tabla 9.

Tabla 9. Volumen de agua y cantidad de material a inyectar para las corridas

experimentales

Co

rrid

a

Tem

pera

tura

(°C

)

Tie

mp

o (

min

)

Pre

sió

n (

psi)

R (

P/P

)

Cás

ca

ra (

g)

Vo

lum

en

de

ag

ua

(mL

)

A 250 15 3190 6 0,917 1,222

B 300 15 3190 6 0,827 1,354

C 250 15 3650 6 0,920 1,217

D 300 15 3650 6 0,833 1,345

E 250 15 3190 30 0,183 1,222

F 300 15 3190 30 0,165 1,354

G 250 15 3650 30 0,184 1,217

H 300 15 3650 30 0,167 1,345

I 250 30 3190 6 0,917 1,222

J 300 30 3190 6 0,827 1,354

K 250 30 3650 6 0,920 1,217

L 300 30 3650 6 0,833 1,345

M 250 30 3190 30 0,183 1,222

N 300 30 3190 30 0,165 1,354

41

O 250 30 3650 30 0,184 1,217

P 300 30 3650 30 0,167 1,345

Q(central) 275 22,5 3420 18 0,293 1,276

Fuente: Autor.

2.5.2. AZÚCARES PRESENTES EN LOS HIDROLIZADOS

Una vez realizado el procedimiento de hidrólisis se filtró la muestra como se

observa en las ilustraciones 11 y 12, luego se dispusieron en un tubo de ensayo

(ver ilustración 13 y 14). Después de ello se llevó a cabo el método DNS, para lo

cual fue necesario realizar diluciones, en donde a la mayoría de las corridas se

diluyó en una relación 1:20, sin embargo en la corrida B y H fue necesario realizar

dilución 1:40 ya que no fue posible su lectura en el espectrofotómetro a 540 nm.

Ilustración 11. Filtración de corrida

"C"

Ilustración 12. Filtración de corrida

"O"

Ilustración 13. Filtrado corrida "C"

Ilustración 14. Filtrado corrida "O"

42

A modo de ejemplo de cálculo se toma la corrida A la cual se realizó a 250 °C,

3190 psi, 15 min de tiempo de reacción, relación (a/m) 6:1, volumen de agua 5,501

mL y 0,917 g de cáscara de arveja. Al realizar la lectura en el espectrofotómetro a

540nm se encontró una absorbancia de 2,288, con ello se determinó la

concentración de azúcares en mg/mL, así:

(

)

(

)

Aplicando el factor de dilución que en este caso es 1:20

(

)

2.5.3. RESULTADOS CORRIDAS EXPERIMENTALES

En la Tabla 10, se muestra las concentraciones de azucares reductores de las 16

combinaciones de las corridas experimentales, con su respectiva réplica. Las

abreviaturas de R, [ ] sin F.D y [ ] Final hacen referencia a la relación agua/

material en peso, la concentración de azucares sin factor de dilución y la

concentración final de azucares, respectivamente. El porcentaje de azucares

parcial difiere del porcentaje de azucares total, ya que a este último se le resta el

porcentaje de azucares inicial que contiene la cáscara de arveja el cual es de 2 %.

43

Tabla 10. Resultados de las corridas experimentales E

tiq

ueta

Tem

pera

tura

(°C

)

Tie

mp

o (

min

)

Pre

sió

n (p

si)

V (

mL

/g)

Vo

lum

en

de a

gu

a

(mL

)

R (

P/P

)

Cásc

ara

(g

)

Ab

so

rban

cia

(54

0

nm

)

[ ]

sin

F.D

(m

g/m

l)

[ ]

Fin

al (m

g/m

l)

Po

rcen

taje

de

azú

care

s p

arc

ial

(%)

Po

rcen

taje

de

azú

care

s t

ota

l (

%)

A 250 15 3190 1,222 5,501 6 0,917 2,288 0,979 19,598 11,76 9,76

Ar 250 15 3190 1,222 5,501 6 0,917 2,166 0,929 18,584 11,15 9,15

B 300 15 3190 1,354 4,964 6 0,827 1,361 0,594 23,780 14,27 12,27

Br 300 15 3190 1,354 4,964 6 0,827 2,602 1,110 22,209 13,33 11,33

C 250 15 3650 1,217 5,522 6 0,920 2,626 1,120 22,409 13,45 11,45

Cr 250 15 3650 1,217 5,522 6 0,920 2,826 1,203 24,072 14,44 12,44

D 300 15 3650 1,345 4,999 6 0,833 2,414 1,032 20,646 12,39 10,39

Dr 300 15 3650 1,345 4,999 6 0,833 2,981 1,268 25,361 15,22 13,22

E 250 15 3190 1,222 5,501 30 0,183 0,54 0,253 5,0632 15,19 13,19

Er 250 15 3190 1,222 5,501 30 0,183 0,363 0,179 3,591 10,77 8,77

F 300 15 3190 1,354 4,964 30 0,165 0,884 0,396 7,923 23,77 21,77

Fr 300 15 3190 1,354 4,964 30 0,165 0,89 0,398 7,973 23,92 21,92

G 250 15 3650 1,217 5,522 30 0,184 0,262 0,137 2,751 8,25 6,25

Gr 250 15 3650 1,217 5,522 30 0,184 0,549 0,256 5,138 15,41 13,41

H 300 15 3650 1,345 4,999 30 0,167 0,445 0,213 8,546 25,64 23,64

Hr 300 15 3650 1,345 4,999 30 0,167 0,813 0,366 7,333 22,00 20,00

I 250 30 3190 1,222 5,501 6 0,917 1,229 0,539 10,792 6,48 4,48

Ir 250 30 3190 1,222 5,501 6 0,917 1,228 0,539 10,784 6,47 4,47

J 300 30 3190 1,354 4,964 6 0,827 0,866 0,388 7,773 4,66 2,66

Jr 300 30 3190 1,354 4,964 6 0,827 0,989 0,439 8,797 5,28 3,28

K 250 30 3650 1,217 5,522 6 0,920 3,117 1,324 26,492 15,90 13,90

Kr 250 30 3650 1,217 5,522 6 0,920 2,49 1,063 21,278 12,77 10,77

L 300 30 3650 1,345 4,999 6 0,833 0,871 0,390 7,815 4,69 2,69

Lr 300 30 3650 1,345 4,999 6 0,833 0,805 0,363 7,266 4,36 2,36

M 250 30 3190 1,222 5,501 30 0,183 0,624 0,288 5,762 17,29 15,29

Mr 250 30 3190 1,222 5,501 30 0,183 0,798 0,360 7,208 21,63 19,63

N 300 30 3190 1,354 4,964 30 0,165 0,423 0,204 4,090 12,27 10,27

Nr 300 30 3190 1,354 4,964 30 0,165 0,434 0,209 4,182 12,55 10,55

O 250 30 3650 1,217 5,522 30 0,184 0,701 0,320 6,402 19,21 17,21

Or 250 30 3650 1,217 5,522 30 0,184 0,923 0,412 8,248 24,74 22,74

P 300 30 3650 1,345 4,999 30 0,167 0,395 0,192 3,857 11,57 9,57

Pr 300 30 3650 1,345 4,999 30 0,167 0,396 0,193 3,866 11,60 9,60

Q1 275 22,5 3420 1,276 5,266 18 0,293 0,975 0,434 8,680 15,62 13,62

Q2 275 22,5 3420 1,276 5,266 18 0,292 1,146 0,505 10,102 18,18 16,18

Q3 275 22,5 3420 1,276 5,266 18 0,292 1,041 0,461 9,229 16,61 14,61

44

Q4 275 22,5 3420 1,276 5,266 18 0,292 1,324 0,579 11,582 20,85 18,85

* La r minúscula indica que es una corrida réplica

Fuente: Autor

Tabla 11. Compilado de las corridas experimentales

CONCENTRACIÓN

(mg/ml)

Tiempo

15 30

Relación Agua/ Cáscara

6 30 6 30

Corrida Replica Corrida Replica Corrida Replica Corrida Replica

Temperatura

250

Presión

3190 19,598 18,584 5,063 3,591 10,792 10,784 5,762 7,209

3650 22,409 24,072 2,752 5,138 26,492 21,278 6,402 8,248

300 3190 23,780 22,209 7,924 7,974 7,774 8,797 4,090 4,182

3650 20,646 25,361 8,546 7,333 7,816 7,267 3,857 3,866

Fuente: Autor.

1.1. SEXTA FASE

Análisis de ciclo de vida del proceso

A continuación, se realiza un análisis general tanto de la producción de bioetanol a

partir de caña de azúcar como de la obtención de azucares reductores a partir de

la cáscara de arveja, con el fin de compararlos y comprender de forma general el

ciclo de vida de los mismos. Lo anterior, debido a que la caña de azúcar es un

cultivo representativo de Colombia que produce en promedio 114 Ton de Caña de

azúcar / Ha- año, y ocupa cerca de 216.768 Ha del Valle del rio Cauca (Consorcio

CUE, 2012), así como, el cultivo de arveja anualmente reporta más de 80 mil

toneladas, las cuales generan 45% en peso de residuo agroindustrial y es objeto

del presente estudio.

El ciclo de vida de la caña de azúcar comienza en el cultivo, el cual requiere de

adecuación del terreno, producción y uso de fertilizantes y pesticidas, quema en

pre-cosecha y transporte de la caña de azúcar a la fábrica. Así mismo, demanda

irrigación de agua, que oscila entre 1.800 y 6.250 m3 por hectárea- año, para un

45

total de agua de 20 a 75 kg / tonelada de caña de azúcar (Consorcio CUE, 2012).

En cuanto a la producción de etanol, se compone de las actividades del ingenio

azucarero (picadoras, molinos, calderas clarificadores, filtros, evaporadores,

centrifugas y destilerías) y las de la planta de etanol (fermentación, destilación,

deshidratación, concentración de Vinaza, planta de aguas residuales y

compostaje). Las anteriores fases de producción, generan unas emisiones y

demandan cierto consumo de energía mostradas en la Tabla 12.

Tabla 12. Emisiones y Consumo de energía de la producción de bioetanol a partir de la caña de azúcar en

Colombia

ACTIVIDAD VALOR UNIDAD REPORTADA VALOR UNIDAD REPORTADA

Adecuación de tierras 0,035 Kg CO2eq/Kg de etanol 1,25 MJ eq /Kg etanol

Producción de

fertilizantes

0,12 Kg CO2eq/Kg de etanol 2,25 MJ eq /Kg etanol

Uso de fertilizantes 0,27 Kg CO2eq/Kg de etanol ------ MJ eq /Kg etanol

Quema Pre-cosecha 0,09 Kg CO2eq/Kg de etanol ------ MJ eq /Kg etanol

Transporte 0,03 Kg CO2eq/Kg de etanol ------ MJ eq /Kg etanol

Producción y uso de

pesticidas

0,001 Kg CO2eq/Kg de etanol 0,1 MJ eq /Kg etanol

Producción de etanol 0,025 Kg CO2eq/Kg de etanol 0,65 MJ eq /Kg etanol

*En términos de potencial de calentamiento global a 100 años. Fuente: (Consorcio CUE, 2012)

Para comprender mejor el proceso, se tuvo en cuenta que en Colombia se genera

en promedio, cerca de 6,3 toneladas de miel para producir alcohol y 2 toneladas

de etanol por cada 100 toneladas de caña de azúcar, como se observa en la

Ilustración 15.

46

Ilustración 15. Flujo de masa en la producción de Etanol

Fuente: (Consorcio CUE, 2012)

Análisis Material/ Etanol- Jugo fermentable

Haciendo un paralelo con el proceso de obtención de azucares reductores, cabe

resaltar que aquí no se tiene consumo de energía ni emisiones por efectos de

cultivo, ya que el material lignocelulósico es un residuo agroindustrial al cual se le

está dando valor agregado. Solo aplica las emisiones y consumo de energía por

producción de etanol. Cabe resaltar, que el presente es un estudio a escala piloto

y por tanto el análisis se presenta como un acercamiento a la hipótesis de lo que

se observaría, si la hidrólisis subcrítica se realizara a escala industrial, como el ya

mencionado procedimiento de la caña de azúcar.

Al comparar la relación caña de azúcar/ miel producida entre ambos procesos, se

observa que se requiere menos material lignocelulósico, en el procedimiento de

cáscara de arveja, para producir la misma cantidad de miel o jugo fermentable,

como se observa en la Tabla 13. Para ello, se realizó un promedio de los datos

utilizados en las corridas experimentales de material y agua alimentados

(introducidos en el reactor) y concentración de azúcar en la muestra después de la

47

hidrólisis. Así como, se usan los valores de la producción de caña de azúcar

mencionados anteriormente.

Tabla 13. Relación Material/ miel producida

Caña de azúcar / Miel producida

Cáscara de arveja / miel producida

Fuente: Autor, 2015

Basados, en las reacciones típicas del rendimiento en la producción de alcohol

(ver ecuación 1), se determinó la cantidad teórica que se obtendría a partir de la

cáscara de arveja, una vez se realizara el proceso de fermentación. Se asume que

la cantidad de miel obtenida en el proceso de hidrólisis subcrítica es de 59,63 mg,

las cuales se atribuyen a glucosa.

( )

(

) (

)

(Vertés et.al, 2010)

Entonces, la cantidad de bioetanol esperado seria de:

48

De esta manera, las emisiones y la demanda de energía debido a la producción de

alcohol se calcularían como se observa a continuación, asumiendo los factores

correspondientes a “Producción de etanol” de la tabla 12:

Emisión de CO2 eq

Demanda de Energía

Análisis de Agua

Con el fin de analizar la misma unidad funcional (kg de CO2 eq/ Kg de etanol), se

asume que las emisiones por agua residual, ya están contempladas en la

“producción de etanol” a partir de la caña de azúcar. Sin embargo, cabe resaltar

que en el cultivo de esta se requiere de 20 a 75 Kg de agua por tonelada de caña

de azúcar, cantidad que no sería necesaria en la generación de biocombustible a

partir de la cáscara de arveja. La cantidad de agua requerida para alimentar el

reactor no tiene punto de comparación con la del cultivo de caña, ya que es del

orden de unos 5 mililitros. No obstante, en principio se planteó la cantidad de CO2

eq en el proceso de hidrólisis subcrítica debido a generación de agua residual, sin

embargo, el agua no es almacenada no genera gas metano (CH4).

En cuanto la energía requerida por el horno se determina mediante principios

termodinámicos. Teniendo en cuenta las fases de líquido a líquido saturado (13° C

a 100°C), líquido saturado a gas saturado (100°C) y gas saturado a gas

sobrecalentado (100°C a 275°C), como se muestra a continuación:

Líquido a líquido saturado

( )(

)( )

49

Liquido saturado a gas saturado

( )(

)( )

Gas saturado a gas sobrecalentado

( )(

)( )

Teniendo en cuenta que el factor de caracterización (IMPACT 2002+) para

convertir de Mega Joules a Mega Joules equivalente, a continuación se calcula la

demanda de energía en este proceso.

A modo de resumen se muestra la Tabla 14 la cual totaliza las emisiones y

demandas de energía por cada proceso, asumiendo que se continúa con el

proceso de producción de alcohol en la hidrólisis subcrítica.

ACTIVIDAD VALOR UNIDAD REPORTADA VALOR UNIDAD REPORTADA

Adecuación de tierras 0,035 Kg CO2eq/Kg de etanol 1,25 MJ eq /Kg etanol

Producción de

fertilizantes

0,12 Kg CO2eq/Kg de etanol 2,25 MJ eq /Kg etanol

Uso de fertilizantes 0,27 Kg CO2eq/Kg de etanol ------ MJ eq /Kg etanol

Quema Pre-cosecha 0,09 Kg CO2eq/Kg de etanol ------ MJ eq /Kg etanol

Transporte 0,03 Kg CO2eq/Kg de etanol ------ MJ eq /Kg etanol

Producción y uso de

pesticidas

0,001 Kg CO2eq/Kg de etanol 0,1 MJ eq /Kg etanol

Producción de etanol 0,025 Kg CO2eq/Kg de etanol 0,65 MJ eq /Kg etanol

50

Tabla 14. Resumen de emisiones y demanda de energía en los dos procesos

ACTIVIDADES

Producción de etanol a partir

de caña de azúcar

Producción de etanol a partir

de la cáscara de arveja

Emisión

Energía

Emisión

Energía

Adecuación de tierras 0,035 1,25 ---- ----

Producción de

fertilizantes

0,12 2,25

---- ----

Uso de fertilizantes 0,27 ---- ---- ----

Quema Pre-cosecha 0,09 ---- ---- ----

Transporte 0,03 ---- 0,03 ----

Producción y uso de

pesticidas

0,001 0,1

---- ----

Obtención de miel ---- ---- ---- 0,153

Producción de etanol 0,025 0,65

Total 0,571 4,25 0,03 0,153

Fuente: Autor, 2015

Reducción de material

Adicionalmente, se evaluó la reducción de material lignocelulósico. De esta

manera, se volvieron a realizar las dos corridas con mayor porcentaje de azúcares

reductores, las cuales corresponden a la etiquetada como “H” y la “F”.

La corrida F, se alimentó con 0,165 g de cáscara de arveja y 4,964 mL de agua

destilada. De esta corrida se obtuvo un peso final de material hidrolizado de

0,0389 g de modo que se tuvo un porcentaje de reducción de biomasa residual de

76.4 %. A continuación se muestra el cálculo.

51

La corrida H, se alimentó con 0,167 g de cáscara de arveja y 4,999 mL de agua

destilada. De esta corrida se obtuvo un peso de material hidrolizado de 0,0349 g

de modo que se tuvo un porcentaje de reducción de biomasa residual de 76.4 %.

A continuación se muestra el cálculo.

En promedio se reduce 78 % de material en peso. De esta manera, si se producen

cerca de 450 Kg de residuos por tonelada de cultivo, y anualmente se generan 80

mil toneladas, se evitaría enviar a disposición final cerca de 28 mil toneladas de

cáscara de arveja.

1.2. SÉPTIMA FASE

Análisis de varianza

Para el presente análisis de resultados, se hizo uso del programa MiniTab 15, por

la facilidad de uso y por contar con herramientas básicas y avanzadas para el

análisis estadístico. En primer lugar, se organizaron los datos de forma tabular en

la hoja de trabajo de Minitab 15 como se muestra en la Ilustración 16, excluyendo

los puntos centrales.

52

Ilustración 16. Datos ingresados al programa

Fuente: Autor, 2015

Acto seguido, se creó el diseño factorial como factores de 2 niveles (generadores

predeterminados) ingresando por la opción Estadísticas > DOE > Factorial. Una

vez realizado esto, se definió el diseño factorial como se muestra en la Ilustración

17. En la ventana que se despliega se ingresaron los factores de Temperatura (A),

Tiempo (B), Presión (C) y Relación agua/ material (D), a su vez rectificando los

niveles de trabajo alto y bajo para cada factor. Con el fin de obtener la tabla de

análisis de varianza y respectivas gráficas, se ingresó a la opción Analizar diseño

factorial, en donde se seleccionó la respuesta, que para este caso fue el

Porcentaje de azucares presentes en la muestra. En esta opción se puede definir

los términos a analizar (A, B, C, D e interacciones entre términos) así como, la

generación de las gráficas resultantes.

53

Ilustración 17 Pasos para definir el diseño factorial

Después de ejecutar el análisis factorial se obtiene la Tabla 13 de análisis de

varianza, la cual reporta los valores P para cada uno de los factores analizados y

las respectivas interacciones entre los mismos. Los valores menores o iguales a

0,05 (cercanos a cero) se reconocieron como significativos en el presente trabajo.

Por tanto, los términos Tiempo, Relación agua/material y las interacciones

Temperatura-Tiempo, Temperatura-Relación, Tiempo-Relación y Temperatura-

Tiempo-Relación son significativas con respecto a la respuesta de porcentaje de

azucares reductores.

Tabla 15 Análisis de Varianza

Término Efecto Coef Coef de EE T P

Temperatura (A) -0,462 -0,231 0,3880 -0,60 0,560

Tiempo (B) -3,720 -1,860 0,3880 -4,79 0,000

Presión (C) 1,304 0,652 0,3880 1,68 0,112

Relación (D) 6,826 3,413 0,3880 8,80 0,000

AB -6,724 -3,362 0,3880 -8,67 0,000

AC -1,626 -0,813 0,3880 -2,10 0,052

AD 1,815 0,908 0,3880 2,34 0,033

BC 0,973 0,487 0,3880 1,25 0,228

BD 1,955 0,977 0,3880 2,52 0,023

CD -1,173 -0,586 0,3880 -1,51 0,150

ABC -1,286 -0,643 0,3880 -1,66 0,117

ABD -3,347 -1,674 0,3880 -4,31 0,001

ACD 1,071 0,535 0,3880 1,38 0,187

BCD -0,256 -0,128 0,3880 -0,33 0,746

ABCD 0,170 0,085 0,3880 0,22 0,830

S = 2,19472 PRESS = 308,275 R-cuad. = 93,28% R-cuad.(pred.) = 73,12% R-cuad.(ajustado) = 86,98%

Fuente: Minitab 15, Autor

54

Con el fin de afirmar el análisis de varianza se realizó la interpretación gráfica de

los anteriores factores. De acuerdo a la gráfica normal de efectos estandarizados

(ver Gráfica 3), los factores AB, B, ABD, AD, BD y D tienen efectos significativos

en la respuesta. Debido a que hay demasiados efectos no significativos, es

necesario generar un nuevo análisis de los datos, tomando como factores

aquellos que si muestran significancia. De esta manera, se obtuvo una nueva tabla

de varianza, la cual evidencia factores con mayor significancia (ver Tabla 14).

Tabla 16 Re-análisis de Varianza

Término Efecto Coef Coef de EE T P

Temperatura (A) -0,462 -0,231 0,4742 -0,49 0,630

Tiempo (B) -3,720 -1,860 0,4742 -3,92 0,001

Relación (D) 6,826 3,413 0,4742 7,20 0,000

AB -6,724 -3,362 0,4742 -7,09 0,000

BD 1,955 0,977 0,4742 2,06 0,050

ABD -3,347 -1,674 0,4742 -3,53 0,002

S = 2,68262 PRESS = 294,767 R-cuad. = 84,31% R-cuad.(pred.) = 74,30% R-cuad.(ajustado) = 80,55%

Fuente: Minitab 15, Autor

La gráfica de probabilidad de residuales y residuales vs. valores ajustado, se

muestran en las Gráficas 5 a 8, respectivamente. Como se observa en la Gráfica

4, la probabilidad normal de los residuales, tiende a formar una línea recta

indicando la normalidad en los datos, esta gráfica se encuentra más ajustada que

la presentada en la gráfica 3 generada al tratar todo el conjunto de datos, es decir,

sin excluir los no significativos. Lo anterior, representa un error de distribución

normal. De igual manera, la Gráfica 7 y 8 muestra un patrón aleatorio de

residuales a ambos costados del cero, sin ningún patrón reconocible. Por lo tanto,

el modelo es correcto, así como satisfactorios los supuestos tomados en la

presente investigación. Este modelo presenta un coeficiente de regresión de R2=

93,28%.

55

GRÁFICAS CON TODOS LOS FACTORES INCLUIDOS

GRÁFICAS CON FACTORES SIGNIFICATIVOS

Gráfica. 3 Normal de efectos estandarizados (a)

Gráfica. 4 Normal de efectos estandarizados (b)

Gráfica. 5. Probabilidad normal de residuales (a)

Gráfica. 6 Probabilidad normal de residuales (b)

Gráfica. 7 Varianza Constante- Valores residuales vs. Valores ajustados (a)

Gráfica. 8 Varianza Constante- Valores residuales vs. Valores ajustados (a)

Fuente: Minitab 15, Autor.

Según el reporte del programa Minitab 15, el nuevo análisis de datos tiene un

constante de regresión lineal (ajustado) de R2=84,31%, la cual es menor debido a

que se excluyen datos que son parte del error. Los principales efectos están en los

factores tiempo (B), relación agua/material (D) y en las interacciones temperatura

vs. tiempo (AB), tiempo vs. relación agua/material (BD) y temperatura-tiempo-

relación agua/material (ABD), tal y como se reportó en la tabla de varianza.

56

Al generar la Gráfica 9 de efecto principales para el porcentaje de azucares se

obtuvo que para la temperatura y el tiempo, entre mayor sean los valores (300 °C

y 30 min, respectivamente) la respuesta disminuye. Caso contrario se presenta

para la presión y la relación agua/material, en donde a mayores valores (3650 psi

y 30 de relación) se obtiene mayor porcentaje de azucares. Cabe aclarar, que los

términos de temperatura y presión como factores independientes, no presentan un

gran cambio respecto a la respuesta (eje Y). Por tanto, las corridas experimentales

se pueden desarrollar bajo cualquiera de los dos niveles de trabajo (alto/ bajo),

puesto que dichos factores no generan un efecto considerable en la respuesta.

Gráfica. 9 Efectos principales para el porcentaje de azúcar

Fuente: Minitab 15, Autor.

De acuerdo a Montgomery (2001) los efectos principales no tienen mayor

relevancia cuando hay interacciones importantes involucradas. De modo que se

analizaron las interacciones AB, AD, BD y ABD mediante gráficas. La Gráfica 10

de la interacción de AB y la gráfica de contornos sugiere que el mejor nivel de

trabajo es a 300°C y 15 minutos de reacción en el horno, es decir, el porcentaje de

57

azucares aumenta cuando se trabaja a altas temperaturas con un bajo tiempo de

reacción.

Gráfica. 10 Interacción AB

3015

17,5

15,0

12,5

10,0

7,5

5,0

Tiempo (min)

Me

dia

250

300

(°C)

Temperatura

Medias de datos

Gráfica de interacción AB para porcentaje de azucares

12

10

8

6

Temperatura (°C)

Tie

mp

o (

min

)

300290280270260250

30,0

27,5

25,0

22,5

20,0

17,5

15,0

R (P/P) 6

Valores de retención

>

–

–

–

–

< 4

4 6

6 8

8 10

10 12

12

Porcentaj

Gráfica de contornos para la interacción AB

Fuente: Minitab 15, Autor.

Para la interacción AD se establece según la Gráfica 11 que a mayor temperatura

y relación agua/material la respuesta aumenta. Para este caso, el mejor nivel de

trabajo se da a 300°C y 30 de relación agua/material.

58

Gráfica. 11 Interacción AD

306

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

R (P/P)

Me

dia

250

300

(°C)

Temperatura

Medias de datos

Gráfica de interacción AD para porcentaje de azucares

20

18

16

14

12

Temperatura (°C)

R (

P/

P)

300290280270260250

30

25

20

15

10

Tiempo (min) 15

Valores de retención

>

–

–

–

–

–

< 10

10 12

12 14

14 16

16 18

18 20

20

Porcentaj

Gráfica de contornos para la interacción AD

Fuente: Minitab 15, Autor.

Por su parte, la Gráfica 12 de la interacción BD indica que el mejor nivel de trabajo

se da a 15 minutos y una relación de 30 agua/material, es decir, la respuesta

aumenta al desarrollar las corridas a bajos tiempos de reacción y mayor cantidad

de agua con respecto al material lignocelulósico inyectado.

59

Gráfica. 12 Interacción BD

306

17,5

15,0

12,5

10,0

7,5

5,0

R (P/P)

Me

dia

15

30

(min)

Tiempo

Medias de datos

Gráfica de interacción BD para porcentaje de azucares

18

16

14

12

10

8

Tiempo (min)

R (

P/

P)

30,027,525,022,520,017,515,0

30

25

20

15

10

Temperatura (°C) 250

Valores de retención

>

–

–

–

–

–

< 8

8 10

10 12

12 14

14 16

16 18

18

Porcentaje

Gráfica de contornos para la interacción BD

Fuente: Minitab 15, Autor.

Finalmente se analizó la interacción de tercer grado ABD, la cual coincide con las

3 interacciones anteriores, ya que en la Gráfica 13 expresa que las mejores

condiciones de trabajo son 300° C, a 15 minutos como tiempo de reacción y una

relación agua/material lignocelulósico de 30. Análogamente, se corre el programa

Minitab 15 para analizar la interacción ABD (cuando D bajo) y ABD (cuando D

alto), es decir, se analiza por caminos separados para encontrar la explicación de

esta interacción de tercer grado y su efecto con la respuesta.

60

Gráfica. 13 Interacción ABD para porcentaje de azucares

3015 306

15

10

5

15

10

5

T emperatura (°C)

T iempo (min)

R (P/P)

250

300

(°C)

Temperatura

250

300

(°C)

Temperatura

15

30

(min)

Tiempo

Medias de datos

Gráfica de interacción ABD para porcentaje de azucares

Fuente: Minitab 15, Autor.

Al analizar las Gráficas 14 y 15 obtenidas, se observa que si el factor D no tuviese

efecto sobre el porcentaje de azucares, la interacción ABD- cuando D bajo y alto,

mostraría una gráfica igual. Sin embargo, esto no ocurre porque el valor de la

media presentado en la Gráfica 15, supera casi en 10 puntos al valor leído en el

eje Y de la Gráfica 14. Por tanto, el factor D que es la relación agua/material

influye positivamente en la respuesta, es decir, que a mayor relación mayor

porcentaje de azucares reductores en la muestra. Al trabajar con un factor D alto,

se incrementa el agua y se desarrolla una mejor reacción, debido a que se da un

mayor contacto del agua con el material lignocelulósico, evitando la limitación de

transferencia de masa.

Gráfica. 14 Interacción ABD- D bajo

3015

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

TIEMPO

Me

dia

250

300

TEMPERATURA

Gráfica de interacción para PORCENTAJEMedias de datos

Gráfica. 15 Interacción ABD- D alto

3015

24

22

20

18

16

14

12

TIEMPO

Me

dia

250

300

TEMP

Gráfica de interacción para EFIMedias de datos

Fuente: Minitab, Autor

61

Basado en el análisis de varianza se evidencia que las corridas etiquetadas como

F, Fr, H y Hr, cumplen con estas condiciones óptimas de trabajo (300° C, 15

minutos y 30 relación agua/material), siendo a su vez aquellas corridas con mayor

porcentaje de azucares. La corrida F y su réplica reportan en promedio 21,84 mg/L

de azucares reductores, mientras la corrida H y Hr reportan en promedio 21,82

mg/L de azucares reductores.

62

2. CONCLUSIONES

Al realizar el estudio del efecto combinado de los factores presión, temperatura,

tiempo de reacción y relación agua/ material lignocelulósico, se encontró que los

factores con mayor relevancia en el presente trabajo son el tiempo, la relación

agua/ material y las interacciones temperatura-tiempo, tiempo-relación y

temperatura-tiempo-relación. Según el análisis de varianza, las mejores

condiciones de trabajo son 300°C, 15 minutos de tiempo de reacción, una relación

de agua/ material 30 y una presión de 3650 psi. Lo anterior, permite transformar el

material lignocelulósico de la cáscara de arveja en un jugo fermentable con

concentración aproximada de 22mg/L de azucares reductores.

En cuanto a la parte experimental, se observó que las condiciones de

almacenamiento, no son exigentes, solo se debe evitar humedecer la muestra

molida antes de alimentar el reactor, ya que dificulta la manipulación del material y

por tanto induce a su pérdida por error del operario. Por otro lado, se reconoce

que la concentración de azúcares puede ser proporcional al color y olor obtenido

después de la hidrólisis, es decir, si el color es oscuro y el olor característico a

panela. Cabe aclarar que los colores oscuros también significan carbonización del

material y por tanto degradación de azúcares, lo cual se debe evitar.

De acuerdo al análisis de ciclo de vida (ACV), el cultivo de caña de azúcar como el

de arveja son representativos en Colombia, y a partir de ellos se puede generar

biocombustible de segunda generación. Sin embargo, existe una gran diferencia

entre la materia prima utilizada, ya que mientras los cultivos de caña de azúcar

requieren de grandes extensiones de tierra, ponen en riesgo la seguridad

alimentaria y genera diferentes residuos, el biocombustible que se elaboraría a

partir de la arveja no sería proveniente del cultivo, sino del residuo que este

produce, dando un valor agregado a un residuo que generalmente se dispone en

un relleno sanitario. Las emisiones y demanda de energía de la hidrólisis

subcrítica, si bien son difíciles de cuantificar por ser escala piloto, la aproximación

realizada permitió reconocer la baja tasa de emisiones y demanda de energía,

63

que comparadas con el proceso de caña de azúcar son mucho menores, ya que la

cáscara no requiere de quemas de pre-cosecha, fertilizantes, pesticidas y

adecuación del terreno.

Al comparar la hidrólisis subcrítica y la serie de procesos que se realizan en los

ingenios azucareros, el ACV permitió reconocer que la hidrólisis subcrítica

requiere menos material lignocelulósico para producir un miligramo de jugo

fermentable, el mismo que genera el ingenio azucarero con mayor cantidad de

caña. Lo anterior, es una ventaja ya que el residuo de la cáscara de arveja se da

en grandes proporciones en Colombia, de las cuales podría obtener también

grandes volúmenes de bioetanol. La demanda de agua en ambos procesos no

presenta factores equiparables. Sin embargo se reconoce que los cultivos de caña

requieren grandes cantidades, mientras la cáscara de arveja, por ser un residuo

no. Además, la cantidad de agua a inyectar en la hidrólisis subcrítica, escala piloto

y por Batch, osciló entre los 3 y 5 mililitros aproximadamente, volumen que no

tiene punto de comparación, por el requerido en el proceso de la caña de azúcar.

La hidrólisis subcrítica por Batch permitió la reducción de material lignocelulósico

en peso y volumen, que hipotéticamente se evaluó en más del 75 %, es decir, que

casi toda la cáscara de arveja se hidrolizó y solo quedo una pequeña parte en el

filtro. Lo anterior, lleva a pensar que a escala industrial, los residuos del cultivo de

arveja se podrían tratar y no se estarían disponiendo cerca de 28 mil toneladas de

cáscara en un relleno sanitario. Cabe aclarar, que la síntesis anteriormente

descrita es una aproximación de lo que potencialmente se obtendría del proceso.

64

3. RECOMENDACIONES

En cuanto a los procedimientos de pretratamiento del material, se recomienda

realizar previamente deshidratación, ya que permite manipular con mayor facilidad

el material, así mismo muestra mejores resultados con respecto al porcentaje de

azúcar encontrado. Una vez deshidratada la muestra, es necesario reducir el

tamaño manualmente y con ayuda del molino analítico.

La hidrólisis con fluidos supercríticos, se compone de una serie de procesos que

deben ser cumplidos con rigurosidad para obtener resultados satisfactorios De

esta manera antes de iniciar una corrida, se debe verificar la cantidad de agua y

material a inyectar, el sello hermético del reactor, la temperatura requerida entre

otros. Lo anterior, con el fin de evitar pérdidas de agua, carbonización del material

y resultados erróneos.

El análisis de ciclo de vida aquí presentado debe ser complementado con otros

datos y llevar el estudio hasta la producción de bioetanol, ya que debido a la

magnitud del proyecto no fue posible incluirlos. Lo anterior, con el fin de poder

realizar una mejor comparación entre el procedimiento de caña de azúcar a escala

nacional.

Se recomienda realizar hidrólisis subcrítica de la cáscara de arveja a flujo

continuo, ya que puede disminuir tiempo de retención, y obtener resultados

diferentes (mayor porcentaje de azúcares).

65

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