EVALUACIÓN DE LA OBTENCIÓN DE VAINILLINA A PARTIR DE ...
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EVALUACIÓN DE LA OBTENCIÓN DE VAINILLINA A PARTIR DE CÁSCARA DE MANGO (MANGIFERA INDICA) Tesis Por ESTEFANIA LAZARO TAMARA Presentado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Los Andes En cumpliento parcial de los requisitos para el grado de INGENIERÍA QUÍMICA Departamento de Ingeniería Química Marzo 2020
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EVALUACIÓN DE LA OBTENCIÓN DE VAINILLINA A PARTIR DE
CÁSCARA DE MANGO (MANGIFERA INDICA)
Tesis
Por
ESTEFANIA LAZARO TAMARA
Presentado en la Facultad de Ingeniería de la
Universidad de Los Andes
En cumpliento parcial de los requisitos para el grado de
INGENIERÍA QUÍMICA
Departamento de Ingeniería Química
Marzo 2020
Evaluación de la obtención de vainillina a partir de cáscara de mango (mangifera
indica)
Copyright 2020 Estefania Lazaro Tamara
EVALUACIÓN DE LA OBTENCIÓN DE VAINILLINA A PARTIR DE
CÁSCARA DE MANGO (MANGIFERA INDICA)
Tesis
Por
ESTEFANIA LAZARO TAMARA
Presentado en la Facultad de Ingeniería de la
Universidad de los Andes
En cumpliento parcial de los requisitos para el grado de
INGENIERÍA QUÍMICA
Aprobado por:
Asesor, Rocío Sierra Ramírez, Ph.D.
Co asesor, Daniel David Durán Aranguren
Departamento de Ingeniería Química
Marzo 2020
RESUMEN
Evaluación de la obtención de vainillina a partir de cáscara de mango (mangifera
indica)
(Marzo 2020)
Estefania Lazaro Tamara, Universidad de los Andes, Colombia
Asesor: Rocío Sierra Ramírez, Ph.D.
La vainillina es un compuesto orgánico que se caracteriza ser el compuesto
primario de la vaina de la vainilla. La obtención de la vainillina mediante la vaina
natural de la vainilla tiene un alto precio, en este trabajo se busca evaluar la obtención
vainillina a partir de cáscara de mango, considerada un residuo actualmente, y
aprovecharla como esencia. La lignina fue extraída mediante hidrólisis ácida utilizando
concentraciones de 0,373 M y 0,1 M de ácido sulfúrico, para el ácido oxálico
concentraciones de 0,1 M y 1 M. Mediante un análisis FT-IR y TGA se analizó la
lignina obtenida y se encontró un espectro similar al estándar en todas las
concentraciones evaluadas. Para evaluar la producción de vainillina se realizó una
oxidación utilizando oxígeno. Finalmente, por medio de cromatografía de alta
resolución (HPLC) se analizó la concentración de vainillina en el producto. Como
resultado, se obtuvo que la concentración de vainillina en el producto fue indetectable.
Palabras clave: vainilla, vainillina, lignina, hidrólisis ácida, oxidación, oxígeno.
ABSTRACT
Vanillin is an organic compound that is characterized as the primary vanilla pod
compound. Obtaining vanillin through the natural vanilla pod has a high price, in this
work we seek to evaluate the obtaining vanillin from mango peel, currently considered
a residue, and take advantage of it as essence. Lignin was extracted by acid hydrolysis
using concentrations of 0,373 M and 0,1M of sulphuric acid, for oxalic acid
concentrations of 0,1 M and 1 M. Using FT-IR and TGA analysis, the lignin obtained
was analyzed and a spectrum similar to standard was found in all the concentrations
evaluated. To evaluate vanillin production, an oxidation using oxygen was performed.
Finally, the concentration of vanillin in the product was analyzed by high performance
liquid chromatography (HPLC). As a result, the concentration of vanillin in the product
was found to be undetectable.
Keywords: vanilla, vanillin, lignin, acid hydrolysis, oxidation, oxygen.
DEDICACIÓN
A mis padres por enseñarme el valor de la responsabilidad y por motivarme a
cumplir mis sueños.
A todas las personas que siempre me han apoyado y confiado en mi para hacer
esto posible.
AGRADECIMIENTO
Gracias a Daniel Duran por su paciencia y entrega ya que sin su ayuda, nada de
esto hubiera sido posible.
Agradezco a la Dr. Rocío Sierra por confiar en mis capacidades.
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN .................................................................................................................... 4
ABSTRACT ................................................................................................................... 4
DEDICACIÓN ............................................................................................................... 6
AGRADECIMIENTO ................................................................................................... 7
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................... 9
LISTA DE TABLAS ................................................................................................... 10
OBJETIVOS ................................................................................................................ 11
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 12
2. METODOLOGÍA .................................................................................................... 14
2.1 Obtención y caracterización de lignina ......................................................... 14
2.1.1. Residuos de mango ................................................................................ 14
2.1.2 Hidrólisis ácida ...................................................................................... 14
2.1.3 Humedad ................................................................................................ 15
2.1.4 Pruebas FT-IR y TGA ............................................................................ 15
2.2 Obtención y caracterización de vainillina ..................................................... 16
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................................ 17
3.1 Obtención y caracterización de lignina .............................................................. 17
3.1.1 Hidrólisis ácida y Humedad ................................................................... 17
3.1.2. Pruebas FT-IR ........................................................................................ 21
3.1.3. Pruebas TGA .......................................................................................... 23
3.2 Obtención y caracterización de vainillina ..................................................... 26
4. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ........................................................... 28
5. ANEXOS ................................................................................................................. 29
6. REFERENCIAS ....................................................................................................... 30
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Hidrólisis con ácido sulfúrico 0.1 M ............................................................ 17
Figura 2. Hidrólisis con ácido oxálico 0.1 M ............................................................... 17
Figura 3. Montaje para filtración con crucibles de vidrio ............................................ 17
Figura 4. Apariencia de sólido filtrado ácido oxálico 0.1 M (atrás) y ácido oxálico 1 M
(adelante) ...................................................................................................................... 17
Figura 5. Réplica 2 hidrólisis con ácido oxálico 0.1 M (superior derecha), 1 M (superior
izquierda). Resultados hidrólisis con ácido sulfúrico 0.1 M (inferior derecha), 0.373 M
(inferior izquierda). ...................................................................................................... 18
Figura 6. Réplica 1 hidrólisis con ácido oxálico 0.1 M (superior derecha), 1 M (superior
izquierda). Resultados hidrólisis con ácido sulfúrico 0.1 M (inferior derecha), 0.373 M
(inferior izquierda). ...................................................................................................... 18
Figura 7. Promedio del porcentaje de recuperación ..................................................... 19
Figura 8. Pruebas FT-IR para cada una de las muestras realizadas y la cáscara de mango
...................................................................................................................................... 21
Figura 9. Curvas TGA de la lignina obtenida mediante hidrólisis ácida ..................... 23
Figura 10. Curvas DTGA de la lignina obtenida mediante hidrólisis ácida ................ 24
Figura 11. Botella de reacción ingresada en la autoclave. ........................................... 26
Figura 12. Montaje para la inyección de nitrógeno y oxígeno ................................... 26
Figura 13. Gráfica de residuos obtenida de Minitab 18 ............................................... 29
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Concentración para cada ácido ...................................................................... 14
Tabla 2. Porcentajes de humedad de cada muestra ...................................................... 18
Tabla 3. Pesos sin humedad de cada muestra .............................................................. 19
Tabla 4. Resultados promedio hidrólisis ácida ............................................................ 29
Tabla 5. Análisis de varianza (ANOVA unidireccional) ............................................. 29
Tabla 6. . Resumen del modelo (ANOVA unidireccional) .......................................... 29
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Evaluar la obtención de vainillina a partir de cáscara de mango común.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Obtener lignina mediante hidrólisis ácida a partir de la cáscara de mango
(mangifera indica) utilizando ácido sulfúrico y oxálico.
• Evaluar la obtención de vainillina a partir de la lignina extraída de la cáscara de
mango (mangifera indica).
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente, los residuos provenientes del mango son desperdiciados, estos hacen
referencia a la cáscara y la semilla. En Colombia, la pulpa es separada para ser
consumida en forma de fruta entera, en trozos o en jugos naturales (Asohofrucol,
Corpoica, 2013) mientras que la cáscara y la semilla son desechadas produciendo
contaminación y generando basuras. Los residuos industriales representan
aproximadamente el 60% de la fruta, de esto, entre el 7% y 24% corresponde a la
cáscara y el 9% a 40% a la semilla (Sánchez Orozco, y otros, 2014). Debido a esto, se
requiere diseñar un método para aprovechar los desperdicios del mango dado que
poseen sustancias químicas que se pueden extraer para obtener múltiples productos con
valor agregado. El residuo del mango es un material vegetal con una cantidad
considerable de material lignocelulósico que permite obtener productos como:
compost, pectina, aceites esenciales, biogás, entre otros (Yepes, Montoya Naranjo, &
Orozco Sánchez, 2008).
La cáscara de mango se compone principalmente de celulosa, hemicelulosa, pectina
y lignina (K. Madhukara, 1993). Estos materiales se encuentran respectivamente en un
26.3%, 16.7%, 15.7% y 11.2% en porcentaje peso (Durán, 2019). La lignina tiene
propiedades muy variadas gracias a su multifuncionalidad química que le da un gran
número de transformaciones químicas, una de estas es en el campo de los alimentos
para obtener vainillina sintética (Martínez Yepes, Rodríguez Espinosa, & Diaz Toro,
2011).
Hoy en día, un 85% del suministro mundial de vainillina se sintetiza a partir de
guayacol derivado del petróleo y un 15% proviene de lignina (Thiel & Hendricks,
2004). Otro método para obtener vainillina naturalmente es mediante la semilla de la
orquídea Vainilla planifola la cual es originaria de América, sin embargo, su obtención
tiene implicaciones económicas altas. La vainillina es utilizada como aromatizante en
productos alimenticios y en algunos casos como material de partida para la síntesis de
varios productos químicos (F. Mota, Rodrifues Pinto, Loureiro, & Rodrigues, 2016).
Como se mencionó anteriormente, la cáscara de mango contiene una gran cantidad de
lignina la cual puede ser utilizada como materia prima en la obtención de la vainillina
gracias a sus propiedades y multifuncionalidad química. Adicionalmente, se espera que
la obtención de vainillina a partir de la lignina que contiene la cáscara del mango tenga
un mejor rendimiento y presente costos considerables. Por último, se tiene como fin
aprovechar los residuos del mango para contribuir en la conservación del medio
ambiente mediante la reducción de desechos orgánicos.
2. METODOLOGÍA
2.1 Obtención y caracterización de lignina
2.1.1. Residuos de mango
Los residuos de mango fueron proveídos por una frutería común ubicada en el
centro de Bogotá. Se separó la cáscara de la semilla y se procedió a secarla en un horno
de convección durante 24 a 48 horas a una temperatura de 45°C de acuerdo con el
procedimiento estándar de laboratorio del Laboratorio Nacional de Energías
Renovables (NREL) (Hames, y otros, 2008). Se molió la cascara seca para reducir su
tamaño de partícula a 1 mm. El tamaño de partícula debe tenerse en cuenta debido a
que, si es mayor, puede causar una hidrólisis incompleta del azúcar polimérico a los
azúcares monoméricos en el procedimiento de cuantificación de lignina (Durán, 2019).
2.1.2 Hidrólisis ácida
La hidrólisis ácida se llevó a cabo mediante ácido sulfúrico y oxálico utilizando
una concentración alta y una baja de cada uno. Se hizo una réplica para obtener un
promedio de los resultados. Se hizo uso de ácido sulfúrico con una concentración inicial
de 98% v/v y de ácido oxálico sólido, por tanto, se realizaron diluciones para alcanzar
las concentraciones a las que se llevó a cabo la hidrólisis. El volumen final de cada una
de las diluciones fue de 150 ml y fue puesto en cuatro frascos schott previamente
etiquetados. En la Tabla 1 se pueden observar las concentraciones utilizadas para cada
ácido.
Tabla 1. Concentración para cada ácido
Ácido Concentración (M)
Oxálico 0,100
1,000
Sulfúrico 0,100
0,373
La cantidad de cáscara de mango molida que se añadió fue de aproximadamente
50 gramos en cada uno de los schotts. Para cada uno de los ácidos, la hidrólisis se llevó
a cabo en la autoclave a una temperatura constante de 121°C. Las condiciones variaron
en términos de tiempo para cada uno de los ácidos, el ácido sulfúrico utilizó un tiempo
de 1 h (Lenihan, y otros, 2010), mientras que para el ácido oxálico se utilizó un tiempo
de 3 h siguiendo la metodología propuesta en el proceso OrganoCat para asegurar la
mínima obtención de subproductos (Grande, y otros, 2015).
La muestra resultante de cada hidrólisis fue filtrada al vacío haciendo uso de
crucibles de vidrio para recuperar la fase orgánica. El sólido recuperado fue secado en
un horno de convección durante 36 a 48 horas y se disminuyó su tamaño de partícula a
1 mm para facilitar su uso en las pruebas FT-IR y TGA posteriores.
Se realizó un análisis de varianza unidireccional con el fin de encontrar las
diferencias estadísticas entre cada uno de los tratamientos estudiados. Este análisis se
hizo en el software estadístico Minitab 18.
2.1.3 Humedad
Las muestras sólidas resultantes después de secarlas fueron analizadas mediante
una termobalanza para determinar la cantidad de humedad presente en la muestra. Esto
se hizo con el fin de conocer el peso totalmente seco de cada una de las muestras
obtenidas.
2.1.4 Pruebas FT-IR y TGA
Se analizaron los sólidos obtenidos en cada hidrólisis por medio de
Espectrometría Infrarroja con Transformada de Fourier (FT-IR) en el departamento de
Ingeniería Mecánica de la universidad de Los Andes para reconocer los grupos
funcionales presentes en las muestras y confirmar la presencia de lignina ellas. Se
utilizó un rango de 500 a 4000 cm-1 haciendo uso del equipo para espectrometría
NICOLET 380 FT-IR. Adicionalmente, se realizó un Análisis Termogravimétrico
(TGA) en el departamento de Ingeniería Química de la universidad de Los Andes para
caracterizar las muestras resultantes de la hidrólisis ácida utilizando un rango de
temperatura de 30 a 800 °C y un incremento de 10 °C/min con el fin de seguir la
metodología estándar para este tipo de muestras (Ház, y otros, 2019) . El equipo utilizó
un flujo de nitrógeno de 100 ml/min.
2.2 Obtención y caracterización de vainillina
Para obtener la vainillina se realizó una oxidación de la lignina mediante una
metodología planteada en literatura (Shakeri, Maghsodlou Rad, & Ghasemian, 2013).
Se preparó una solución de 100 ml con 80g/l de hidróxido de sodio y 60 g/l de lignina
en una botella para cada una de las ligninas obtenidas en la hidrólisis. Se utilizó un
tapón para cada botella con dos agujas en medio. Se introdujo por medio de una aguja
nitrógeno a un flujo de 3 L/min durante 10 minutos para expulsar el aire por la otra
aguja. Inmediatamente, se retiró una de las agujas y se introdujo oxígeno durante 40
segundos por medio de la segunda aguja a cada una de las botellas selladas con el tapón.
Las botellas se autoclavaron a 105°C durante 120 minutos para llevar a cabo la reacción
de oxidación y no fue posible agitar las muestras.
El líquido obtenido por la oxidación se analizó mediante cromatografía líquida de
alta eficiencia (HPLC) utilizando una columna C18 con un espectro UV 280 nm y una
fase móvil compuesta por metanol y agua 50:50. El caudal de la fase móvil fue de 0.5
ml/min-1 debido las condiciones de operación del equipo.
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS
3.1 Obtención y caracterización de lignina
3.1.1 Hidrólisis ácida y Humedad
En la hidrólisis ácida se obtuvieron apariencias de un marrón claro para las
concentraciones bajas y marrón oscuro para concentraciones altas de ambos ácidos.
Adicionalmente, se observó que el ácido sulfúrico, debido a sus características, presentó
un tono más oscuro que el ácido oxálico en ambas concentraciones.
Al realizar la filtración mediante crucibles de vidrio como se muestra en la
Figura 3 se obtuvo la fase orgánica mostrada en la Figura 4. El secado logró que la fase
orgánica tuviera un menor porcentaje de humedad.
Figura 2. Hidrólisis con ácido oxálico 0.1 M
Figura 1. Hidrólisis con ácido sulfúrico 0.1 M
Figura 3. Montaje para filtración con
crucibles de vidrio
Figura 4. Apariencia de sólido filtrado ácido oxálico
0.1 M (atrás) y ácido oxálico 1 M (adelante)
La diferencia entre los sólidos obtenidos en cada una de las concentraciones es
clara y como se mencionó anteriormente se debe a las propiedades de los ácidos
escogidos para realizar la hidrólisis. Los sólidos obtenidos mediante ácido oxálico en
ambas pruebas mostraron un color más claro, indicando que el producto obtenido puede
ser de mayor calidad.
Mediante una termobalanza se determinó la humedad total de cada una de las
muestras y se obtuvo la Tabla 2.
Tabla 2. Porcentajes de humedad de cada muestra
Réplica 1 Réplica 2
Concentración (M) Humedad (%) Humedad (%)
Ácido oxálico 0.1 8,46% 5,92%
1 9,65% 12,99%
Ácido sulfúrico 0.1 12,69% 9,08%
0.373 18,45% 13,56%
Los resultados obtenidos mediante la hidrólisis fueron el porcentaje de
recuperación de lignina presente en cada una de las muestras. Para hallarlo, se tuvo en
cuenta el porcentaje de lignina presente en la cáscara de mango reportado en literatura,
Figura 6. Réplica 1 hidrólisis con ácido oxálico 0.1 M
(superior derecha), 1 M (superior izquierda). Resultados
hidrólisis con ácido sulfúrico 0.1 M (inferior derecha),
0.373 M (inferior izquierda).
Figura 5. Réplica 2 hidrólisis con ácido oxálico 0.1
M (superior derecha), 1 M (superior izquierda).
Resultados hidrólisis con ácido sulfúrico 0.1 M
(inferior derecha), 0.373 M (inferior izquierda).
el cual es de 11.20 % (Durán, 2019) y la humedad en cada una de las muestras. En la
Tabla 3 se puede observar el peso sin humedad de cada una de las muestras obtenidas.
Tabla 3. Pesos sin humedad de cada muestra
Réplica 1 Réplica 2
Concentración (M)
Peso sin humedad
(g)
Peso sin
humedad (g)
Oxálico 0,100 38,767 39,37
1,000 36,492 40,06
Sulfúrico 0,100 31,632 35,16
0,373 32,661 36,18
Con los datos reportados en la Tabla 3 y el porcentaje de lignina reportado en
literatura, se hicieron los respectivos cálculos para obtener el porcentaje de
recuperación de lignina para cada una de las hidrólisis realizadas. En la Figura 7 se
muestra el promedio de las réplicas para el porcentaje de lignina encontrado
experimentalmente en cada una de las concentraciones de ácido utilizado en la
hidrólisis.
Con respecto a la Figura 7 se puede ver que los porcentajes de recuperación para
cada uno de los ácidos y concentraciones son menores al 9% y por lo tanto se encuentran
por debajo del valor reportado en literatura. El ácido oxálico permitió una recuperación
0.0 0.5 1.0
0
5
10
Concentración (M)
%R
ecu
pe
ració
n
Ácido sulfúrico
Ácido oxálico
Figura 7. Promedio del porcentaje de recuperación
de lignina de 8.85 ± 0.075 % para la concentración de 0.1 M y 8.49 ± 0.548 % para la
concentración de 1 M. Por otro lado, el ácido sulfúrico recuperó 7.64 ± 0.330 % con la
concentración de 0.1 M y para la concentración de 0.373 M obtuvo un porcentaje de
recuperación de 7.50 ± 0.616 %. Se puede notar que la recuperación es mayor para
ambas concentraciones de ácido oxálico que para el ácido sulfúrico, esto se puede deber
a que se trata de un ácido orgánico y su tratamiento es menos agresivo por lo que logra
la descomposición de los componentes presentes en la cáscara de mango dejando
lignina como producto. En comparación con los porcentajes de recuperación obtenidos
por OrganoCat en literatura (Grande, y otros, 2015), los resultados experimentales
fueron menores. Esto se debe a que no se siguió completamente la metodología, la
temperatura utilizada fue de 121°C cuando debió ser de 140°C y no se utilizó como
reactivo 2‑MeTHF ya que no se encontraba disponible en el laboratorio. Por otro lado,
el ácido sulfúrico, al ser un ácido inorgánico muy fuerte puede estar descomponiendo
parte de la lignina presente en la cáscara de mango.
Adicionalmente, se puede comprobar en los dos tipos de ácido que
concentraciones mayores obtienen menor porcentaje de recuperación a temperaturas
altas (Verardi, De Bari, Ricca, & Calabro, 2012).
Por otro lado, los resultados obtenidos mediante el análisis de varianza
unidireccional permiten afirmar con un 95% de confianza que el porcentaje de
recuperación no es diferente entre los tratamientos aplicados. Los detalles del diseño
experimental se pueden encontrar en anexos.
3.1.2. Pruebas FT-IR
Se realizaron pruebas de espectroscopía FT-IR para tener una estimación de la
composición química y propiedades funcionales (Boeriu, Bravo, Gosselink, & van
Dam, 2004) de los sólidos recuperados anteriormente y de esta forma comprobar la
presencia de lignina. Los resultados de las pruebas FT-IR realizadas para ambos ácidos
con las dos concentraciones propuestas y para la cáscara de mango pura se muestran en
la Figura 8.
En primer lugar, se puede observar en a Figura 8 que todas las pruebas realizadas
presentan un ruido considerable y esto puede ser atribuido a la humedad presente en las
muestras. Debido a esta humedad es posible que se presenten absorciones anchas entre
los 3500 y 1400 cm-1 dadas las vibraciones de O-H que pueden llegar a ocultar la
existencia de otras posibles bandas en esa zona (Martínez).
A pesar de esto, para todas las muestras se logró obtener una caracterización
química que demuestran la presencia de lignina. Adicionalmente se pudo comprobar
que existe presencia de celulosa. Para comenzar, todas las muestras presentan una banda
ancha en 3410 a 3460 cm-1 lo cual indica presencia de grupos hidroxilo (OH) presentes
en la celulosa (Mandal & Chakrabarty, 2011). Adicionalmente, entre 2938 y 2842 cm-
1 se pueden ver bandas que surgen del estiramiento de C-H en grupos aromáticos
metoxilo y grupos metilo y metileno de cadenas laterales. Las bandas mencionadas
5001000150020002500300035004000
0
10
20
30
40
50
Longitud de onda (cm-1)
% T
ran
sm
ita
ncia Ácido sulfúrico 0.1M
Ácido sulfúrico 0.373M
Cáscara de mango
Ácido oxálico 0.1M
Ácido oxálico 1M
Figura 8. Pruebas FT-IR para cada una de las muestras realizadas y la cáscara de mango
anteriormente son más intensas para la lignina obtenida mediante el ácido oxálico y
esto se puede deber principalmente a su naturaleza orgánica (Santos Damacena Nunes
& Pardini, 2018). Por otro lado, en 1720 cm-1 aproximadamente se observa un pico
que hace referencia a los grupos carbonilo (C=O) encontrados en la lignina (Mandal &
Chakrabarty, 2011). Así mismo, los picos de absorción observados aproximadamente
en 1600 cm-1 y en 1500 cm-1 hacen referencia a la presencia de grupos aromáticos
C=C que corresponden a los anillos presentes en la lignina (Garside & Wyeth, 2013).
Adicionalmente, estos grupos corresponden a los compuestos hidroxifenil, guaiacil y
siringil de la lignina (Lagunes-Fortiz & Zavaleta-Mejia, 2016).
Además, en las muestras extraídas de la hidrólisis por medio de ácido oxálico
se puede notar un pico o vibración en 1250 cm-1 resultado del grupo arilo en lignina
(Kumar, Singh Negi, Choudhary, & Kant Bhardwaj, 2014). Con esto, se podría
demostrar que la lignina obtenida mediante este ácido presenta mayor calidad dada la
intensidad y la presencia de los grupos funcionales presentes en lignina obtenida con
este ácido. Para terminar, es posible observar en todas las muestras un pico en 1030 cm-
1 que evidencia la presencia de grupos C-O en la lignina (Simao, y otros, 2016). Estos
grupos se encuentran presentes en los monómeros hidroxifenil, guaiacil y siringil de la
lignina (Reyes Pineda, Rodríguez, & Cardona Hernández, 2015). Sin embargo, este
pico es más pronunciado para los solidos obtenidos con el ácido oxálico.
Los resultados demuestran la presencia de los grupos funcionales presentes en
la lignina y la celulosa. Además, en base al análisis se puede decir que los sólidos
obtenidos mediante la hidrólisis con ácido oxálico presentan mayor calidad y presencia
de los grupos característicos de la lignina. Como se mencionó anteriormente, la
naturaleza orgánica del ácido oxálico favorece la obtención de lignina. En este orden
de ideas, la hidrólisis mediante ácido sulfúrico permitió recuperar lignina en menor
cantidad.
3.1.3. Pruebas TGA
Como parte de la caracterización de la lignina se realizaron pruebas
termogravimétricas para cada una de las muestras obtenidas. Esto se hizo con el fin de
determinar la estabilidad térmica y evaluar el proceso de descomposición térmica de
los sólidos (Tao, Li, & Wu, 2016).
En la Figura 9 se puede observar la curva TGA de cada una de las muestras
obtenidas mediante la hidrólisis ácida. Los resultados muestran tres cambios
importantes en el peso de la muestra a medida que aumenta la temperatura. En la
primera etapa, entre los 30 a 120°C se nota una disminución progresiva que representa
la pérdida del agua presente en las muestras. En la segunda etapa, entre los 180 a 350
°C se presenta la degradación de los carbohidratos presentes en la lignina los cuales se
convierten en gases volátiles como monoxido de carbono, dioxido de carbono, y metano
(Watkins, Nuruddin, Hosur, Tcherbi-Narteh, & Jeelani, 2014). Adicionalmente, es
importante mencionar que la lignina se descompone sobre un amplio rango de
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Temperatura (°C)
Pe
so
(%
)
Oxálico 0.1 M
Sulfúrico 0.1 M
Oxalico 1 M
Sulfúrico 0.373 M
Figura 9. Curvas TGA de la lignina obtenida mediante hidrólisis ácida
temperatura debido a la diferencia de estabilidades térmicas entre sus grupos
funcionales (Brebu & Vasile, 2009). En la última etapa, desde los 350 °C se eliminan
los productos volátiles degradados derivados de la lignina, incluidos los fenólicos, los
alcoholes, los ácidos aldehídos y la formación de productos gaseosos (Watkins,
Nuruddin, Hosur, Tcherbi-Narteh, & Jeelani, 2014).
Finalmente, en la segunda etapa se puede notar una diferencia entre las curvas
de las muestras obtenidas por medio de la hidrólisis ácida con ácido sulfúrico y oxálico.
Se puede notar que la muestra de ácido oxálico presenta mayor resistencia a la
degradación que la de ácido sulfúrico. Esto sugiere un mejor rendimiento de las
muestras obtenidas mediante ácido oxálico y confirma lo mencionado anteriormente
sobre la calidad de la lignina obtenida con este ácido. El ácido oxálico puede presentar
mejores resultados ya que su intensidad es suficiente para degradar lo necesario y
realizar la recuperación adecuada de lignina sin afectar la composición de la misma.
Por otro lado, los resultados generales obtenidos son consistentes con la literatura para
la degradación de la lignina, ya que se evidencian las tres etapas mencionadas por
Watkins y colaboradores.
Como parte de la prueba termogravimétrica se obtuvieron las curvas DTGA
mostradas en la Figura 10.
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Temperatura (°C)
De
riv.
Pe
so
(%
/°C
)
Oxálico 0.1 M
Sulfúrico 0.1 M
Oxálico 1 M
Sulfúrico 0.373 M
Figura 10. Curvas DTGA de la lignina obtenida mediante hidrólisis ácida
Los resultados de la Figura 10 permiten demostrar la presencia de lignina y
hemicelulosa en las muestras obtenidas mediante la hidrólisis con ácido oxálico. Se
puede evidenciar un pico mostrado en 350 °C que está relacionado principalmente con
la ruptura de los enlaces químicos de la lignina. Adicionalmente, aproximadamente en
200 °C se observa la degradación de hemicelulosa. Sin embargo, en literatura estos
picos se observan en 400 °C y 300 °C (Simao, y otros, 2016) es por esto que se evidencia
que la lignina obtenida mediante la hidrólisis ácida presenta menor estabilidad que la
estudiada en literatura.
Así mismo, para las muestras obtenidas mediante ácido sulfúrico se puede
observar una diferencia notable entre las dos concentraciones estudiadas. En primer
lugar, para la concentración mayor se observa una menor estabilidad ya que la ruptura
de los enlaces químicos de la lignina se da aproximadamente en 300 °C y la degradación
de la hemicelulosa en 280 °C. Adicionalmente, se puede notar que tanto lignina como
hemicelulosa se encuentran en menor cantidad que en las muestras obtenidas con ácido
oxálico. Los anterior es debido a que el tratamiento con ácido sulfúrico es mucho más
fuerte y logra eliminar parte de estos componentes en la hidrólisis. En segundo lugar,
se puede notar que a mayor concentración de ácido sulfúrico la estabilidad de la muestra
disminuye generando ruptura de los enlaces en 180 °C aproximadamente. Como se
mencionó anteriormente, el tratamiento con este ácido genera inestabilidad dada su
agresividad.
Finalmente, se observó una similitud notable entre las curvas obtenidas
mediante cada uno de los dos ácidos. Sin embargo, fue posible observar mayor
resistencia a la degradación de la hemicelulosa y la lignina en las muestras obtenidas
mediante ácido oxálico. Adicionalmente, con el ácido sulfúrico se notó un pico más
bajo en ambas degradaciones, lo cual podría indicar menor presencia de estos
compuestos en la muestra. Con lo anterior, se puede afirmar que dadas las
características de las muestras analizadas, el tratamiento realizado con el ácido oxálico
presentó mejores resultados en cuanto a la resistencia de la lignina obtenida.
3.2 Obtención y caracterización de vainillina
Por medio de una oxidación de la lignina extraída anteriormente se obtuvo un
líquido el cuál fue analizado mediante cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC)
para evaluar la presencia de vainillina. En las Figura 11 y Figura 12 se muestra el
montaje utilizado.
El montaje observado en la Figura 11 fue diseñado para realizar la
oxidación de la lignina, esto se hizo con el fin de degradar la lignina debido a su
alta complejidad molecular (Ibrahim, Nor Nadiah, Norliyana, & Shuib). Sin
embargo, las condiciones con las que se trabajaron en el laboratorio no fueron
las recomendadas en literatura. Esto debido a que la oxidación química de la
lignina con oxígeno es una reacción que implica condiciones de funcionamiento
con altos valores de pH, altas temperaturas y una presión total alta (Mathias &
Figura 12. Botella de reacción ingresada
en la autoclave
Figura 11. Montaje para la inyección de
nitrógeno y oxígeno.
Rodrigues, 1995). Por el contrario, en el laboratorio se autoclavaron las
muestras una vez se inyectó el oxígeno así que las condiciones de presión y
temperatura no pudieron ser alcanzadas. En la Figura 12 se puede ver la botella
donde se realizó la reacción de oxidación dentro de la autoclave.
Una vez se obtuvo el líquido producto de la oxidación se procedió a
analizarlo por medio de cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC). La
vainillina estándar fue detectada aproximadamente en 3,19 minutos. Sin
embargo, como se mencionó anteriormente no se tuvieron las condiciones
adecuadas y los resultados de las muestras analizadas demostraron que no se
logró identificar vainillina en el líquido resultante dado que fue indetectable por
el equipo. Por otro lado, se observaron dos picos en cada una de las muestras
analizadas y en base a eso es posible que se obtuvieran dos productos de la
oxidación de lignina previos a la vainillina. Los productos de oxidación que se
dan antes de la vainillina son: ácido siríngico, ácido hidroxibenzoico,
hidroxibenzaldehído y ácido vanílico. Finalmente, es importante mencionar que
estos compuestos tienen propiedades que permiten su uso en la industria de
sabores y fragancias (Ibrahim, Nor Nadiah, Norliyana, & Shuib).
4. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
Se logró obtener lignina a partir de los cuatro tratamientos realizados. La lignina
presentó características importantes en su composición funcional que demuestran una
calidad aceptable. Adicionalmente, se pudo encontrar que se obtuvo un porcentaje de
recuperación de lignina mayor con el ácido oxálico. Así mismo, en base a los grupos
funcionales presentados la calidad de la hidrólisis con ácido oxálico fue mayor dada su
naturaleza orgánica. Sin embargo, el porcentaje de recuperación podría ser mayor
realizando un cambio en las condiciones de temperatura y tiempo de hidrólisis
utilizados.
La oxidación no fue exitosa para la obtención de vainillina. Sin embargo, se obtuvieron
productos que podrían ser analizados como trabajo a futuro para determinar la
concentración y los usos industriales que podría llegar a tener. Se recomienda mejorar
las condiciones que se tuvieron en cuenta al realizar la oxidación para acercarse a la
metodología planteada en literatura y/o probar otra forma de obtener la vainillina para
de esta forma encontrar mejores resultados.
5. ANEXOS
Tabla 4. Resultados promedio hidrólisis ácida
Ácido
Concentración
(M)
Peso
muestra (g)
Peso sin
humedad
(g)
Peso
lignina (g)
Recuperación
(%)
Oxálico 0,1 49,445 39,070 4,376 8,850
1 50,48 38,276 4,287 8,492
Sulfúrico 0,1 48,91 33,396 3,740 7,642
0,373 51,45 34,422 3,855 7,496
Tabla 5. Análisis de varianza (ANOVA unidireccional)
Tabla 6. . Resumen del modelo (ANOVA unidireccional)
Figura 13. Gráfica de residuos obtenida de Minitab 18
6. REFERENCIAS
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