EVALUACIÓN DE TRATAMIENTOS ALCALINOS E...

EVALUACIÓN DE TRATAMIENTOS ALCALINOS E HIDROTÉRMICOS ASISTIDOS

CON MICROONDAS PARA LA OBTENCIÓN DE AZÚCARES A PARTIR DE TALLO

DE MAÍZ

KEVIN RENÉ SUÁREZ SUÁREZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN

PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA

BOGOTA D. C.

2017

EVALUACIÓN DE TRATAMIENTOS ALCALINOS E HIDROTÉRMICOS ASISTIDOS

CON MICROONDAS PARA LA OBTENCIÓN DE AZÚCARES A PARTIR DE TALLO

DE MAÍZ

KEVIN RENÉ SUÁREZ. S

Trabajo de grado para optar al título de

LICENCIADO EN QUÍMICA

Directores

JOSUÉ ANSELMO GARCÍA ORTIZ

Químico

WILLIAM GIOVANNI CORTES ORTIZ

Lic. En química, M.Sc Ciencias Ambientales. Estudiante de Doctorado en Ingeniería de

Materiales

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN

PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA

BOGOTA D. C.

2017

1

Contenido

Resumen ....................................................................................................................................... 13

Introducción ................................................................................................................................ 14

Capítulos 1. Estado actual del tema .......................................................................................... 16

Definición del problema ............................................................................................................. 16

Formulación del problema ......................................................................................................... 18

1. Antecedentes y justificación ................................................................................................... 19

1.1. Antecedentes ................................................................................................................. 19

1.2. Justificación .................................................................................................................. 25

2. Hipótesis ................................................................................................................................... 27

3. Objetivos .................................................................................................................................. 27

3.1. General .............................................................................................................................. 27

3.2. Específicos ......................................................................................................................... 27

4. Marco teórico .......................................................................................................................... 28

4.1. Residuos agrícolas de cosecha e industriales ................................................................. 28

4.2. Biomasa residual y su composición................................................................................. 28

4.3. Tipos de pretratamiento y su función ............................................................................. 29

4.4. Pretratamientos físicos ..................................................................................................... 30

4.5 Pretratamientos químicos ................................................................................................. 30

4.6. Implementación de microondas como pretratamiento ................................................. 31

2

5. Metodología ............................................................................................................................. 33

5.1. Preparación de la muestra para análisis composicional ............................................... 33

5.2. Determinación de porcentaje de humedad y sólidos totales ......................................... 34

5.3. Determinación de cenizas ................................................................................................ 34

5.4. Análisis orgánico elemental (OEA) ................................................................................ 35

5.5. Determinación de extractivos .......................................................................................... 35

5.6. Determinación de azúcares estructurales, lignina soluble e insoluble......................... 36

5.7. Determinación del poder calórico ................................................................................... 37

5.8. Selección de variables, desarrollo de pretratamientos, hidrólisis y cuantificación .... 37

5.9. Diseño experimental y superficies de respuesta ............................................................ 38

6. Cronograma de actividades ................................................................................................... 40

Capítulo 2. Caracterización inicial de la biomasa.................................................................... 41

7. resultados ................................................................................................................................. 41

7.1. Recolección y muestro ...................................................................................................... 41

7.2. Preparación de la muestra para análisis composicional ............................................... 43

7.3. Determinación de porcentaje de humedad, sólidos totales y cenizas .......................... 44

7.4. Análisis orgánico elemental (OEA) ................................................................................ 48

7.5. Determinación de extractivos en biomasa ...................................................................... 49

7.6. Determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble he insoluble ............. 52

7.7. Determinación de poder calórico .................................................................................... 63

3

Capítulo 3. Terminación de las condiciones experimentales y desarrollo de los

pretratamientos ........................................................................................................................... 65

7.8. Condiciones experimentales de los pretratamientos ..................................................... 65

7.9. Desarrollo del pretratamiento alcalino .......................................................................... 71

7.9.1. Secado a peso constante (pretratamiento alcalino) ................................................... 71

7.9.2. Réplicas del pretratamiento alcalino ........................................................................... 72

7.9.3. Secado a peso constante (replicas pretratamiento alcalino) ..................................... 72

7.9.4. Desarrollo del pretratamiento hidrotérmico .............................................................. 73

7.9.5. Secado a peso constante (pretratamiento hidrotérmico) .......................................... 73

7.9.6. Hidrólisis ácida (pretratamiento alcalino) ................................................................. 74

7.9.7. Hidrólisis ácida (pretratamiento hidrotérmico) ........................................................ 76

Capítulo 4. Cuantificación de azúcares extraíbles por cromatografía de alta eficiencia ..... 77

7.9.8. Cuantificación de hidrolizados por HPLC ................................................................. 77

8. Análisis de resultados ............................................................................................................. 83

9. Conclusiones ............................................................................................................................ 88

10. Proyecciones .......................................................................................................................... 90

11. Anexos .................................................................................................................................... 91

11.1. Desarrollo de los pretratamientos alcalinos asistidos por microondas. .................... 91

11.2. Desarrollo de las réplicas del pretratamiento alcalino asistido por microondas. .. 107

11.3. Desarrollo del pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas ................... 112

4

11.4. Tiempos de retención de los estándares de azúcares. ............................................... 121

11.5. Curvas de calibración de los estándares azúcares..................................................... 124

11.6. Cromatogramas de la cuantificación de celobiosa y manos ..................................... 130

12. Bibliografía ...................................................................................................................... 132

5

Índice de tablas

Tabla 1. Antecedentes pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas. ............................. 23

Tabla 2. Antecedentes pretratamiento alcalino asistido por microondas ...................................... 24

Tabla 3. Cronograma de actividades en meses. ............................................................................ 40

Tabla 4. Tarado de crisoles (Determinación de % de humedad, sólidos totales y cenizas). ........ 44

Tabla 5. Determinación de % de humedad, sólidos totales y cenizas. .......................................... 46

Tabla 6. Desviación estándar del % de humedad. ........................................................................ 46

Tabla 7. Desviación estándar del % de sólidos totales. ................................................................ 47

Tabla 8. Desviación estándar del % cenizas. ................................................................................ 47

Tabla 9. Análisis orgánico elemental. ........................................................................................... 48

Tabla 10. Tarado de balones (Determinación de % de extraíble). ............................................... 49

Tabla 11. Masa de extraíbles. ....................................................................................................... 51

Tabla 12. Tarado de crisoles (Preparación de analito para determinación % de lignina). ........... 52

Tabla 13. Determinación de humedad para determinación % de lignina. .................................... 53

Tabla 14. Tarado de crisoles Gosh (Determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble

he insoluble). ................................................................................................................................. 53

Tabla 15. Determinación de % de lignina insoluble. .................................................................... 55

Tabla 16. Desviación estándar % AIR .......................................................................................... 55

Tabla 17. Desviación estándar %AIL ........................................................................................... 55

Tabla 18. Determinación de lignina soluble en ácido por UV-visible. ......................................... 56

Tabla 19. Determinación de lignina soluble en ácido por UV-visible diluido a ½ ....................... 56

Tabla 20. Desviación estándar % ASL. ........................................................................................ 58

Tabla 21. Condiciones experimentales del pretratamiento alcalino asistido por microondas. ..... 66

6

Tabla 22. Concentraciones implementadas en el pretratamiento alcalino. ................................... 67

Tabla 23. Estandarización de soluciones por método directo. ...................................................... 69

Tabla 24. Condiciones experimentales del pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas.

....................................................................................................................................................... 69

Tabla 25. Seguimiento de secado (Pretratamiento alcalino). ....................................................... 71

Tabla 26. Seguimiento de secado (Réplicas de pretratamiento alcalino). ................................... 72

Tabla 27. Seguimiento de secado (Pretratamiento hidrotérmico). ............................................... 73

Tabla 28. Masas tomadas para el desarrollo de la hidrólisis ácida (Pretratamiento alcalino). .... 74

Tabla 29. Masas tomadas para el desarrollo de la hidrólisis ácida (Pretratamiento hidrotérmico).

....................................................................................................................................................... 76

Tabla 30. Estándares y concentraciones de las curvas de calibración para la cuantificación por

HPLC. ........................................................................................................................................... 78

Tabla 31. Tiempos de retención de los estándares. ....................................................................... 78

Tabla 32. Resumen de resultados de caracterización de la biomasa. ............................................ 83

Tabla 33. Resumen de resultados de cuantificación de azúcares por pretratamiento. .................. 85

7

Índice de figuras

Ilustración 1. Ubicación del sitio de recolección (Sur, Carrera 19Bis #47A-21, Bogotá, Colombia).

....................................................................................................................................................... 41

Ilustración 2. Cultivo de maíz. ...................................................................................................... 42

Ilustración 3. Comparación entre caña de maíz desnuda y con hojas. .......................................... 43

Ilustración 4. Disminución de tamaño de partícula por pretratamiento mecánico. ...................... 43

Ilustración 5. Extracción Soxhlet. ................................................................................................. 50

Ilustración 6. Producto del rotaevaporado de la extracción acuosa. ............................................. 50

Ilustración 7. Producto del rotaevaporado de la extracción etanolica. ......................................... 51

Ilustración 8. Cuantificación de azúcares estructurales (Xilosa-Glucosa) ................................... 59

Ilustración 9. Cuantificación de azúcares estructurales (Manosa) ............................................... 62

Ilustración 10. Pensado de la muestra para determinación de poder calórico. ............................. 63

Ilustración 11. Reactor de combustión.......................................................................................... 63

Ilustración 12. Calorímetro IKA C2000. ...................................................................................... 64

Ilustración 13. Proceso de autoclavado. ........................................................................................ 75

Ilustración 14. Hidrólisis de pretratamientos hidrotérmicos. ........................................................ 76

Ilustración 15. Sistema cromatográfico Shimadzu prominence. .................................................. 77

Ilustración 16. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-5%m/v-

14min). .......................................................................................................................................... 79

Ilustración 17. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-

14min) ........................................................................................................................................... 80

Ilustración 18. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-

14min) ........................................................................................................................................... 81

8

Ilustración 19. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-

14min) ........................................................................................................................................... 82

Ilustración 20. Ensayo 1: Pretratamiento alcalino (120°C-2%m/v-6min ..................................... 91

Ilustración 21. Ensayo 1 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo

secado a 40°C por 12 horas. .......................................................................................................... 91

Ilustración 22. Ensayo 2: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-34s) ....................................... 92



Ilustración 24. Ensayo 3: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-27,45) ................................... 93



Ilustración 26. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min) .................................. 94






Ilustración 30. Ensayo 6: Pretratamiento alcalino (210°C-2%m/v-22) ........................................ 96






9

Ilustración 34. Ensayo 8: Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-6min) .................................... 98






Ilustración 38. Ensayo 10: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14) .................................... 100


secado a 40°C por 12 horas. ........................................................................................................ 100

Ilustración 40. Ensayo 11: Pretratamiento alcalino (210°C-2%m/v-6min) ................................ 101



Ilustración 42. Ensayo 12: Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-22min) .............................. 102



Ilustración 44. Ensayo 13: Pretratamiento alcalino (165°C-10%m/v-14min) ............................ 103







10



Ilustración 50. Ensayo 16: Pretratamiento alcalino (120°C-2%m/v-22min) .............................. 106



Ilustración 52. Ensayo 4 (Replica): Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min) ................ 107

Ilustración 53. Ensayo 4 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo


Ilustración 54. Ensayo 8 (Replica): Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-6min) .................. 108



Ilustración 56. Ensayo 10 (Replica): Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14) .................... 109



Ilustración 58. Ensayo 12 (Replica): Pretratamiento alcalino (210°C-8%m/v-22min) .............. 110



Ilustración 60. Ensayo 13 (Replica): Pretratamiento alcalino (165°C-10%m/v-14min) ............ 111



Ilustración 62. Ensayo 1: Pretratamiento hidrotérmico (120°C-6min). ...................................... 112

Ilustración 63. Ensayo 1 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo


11

Ilustración 64. Ensayo 2: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-34s). ........................................ 113



Ilustración 66. Ensayo 3: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-27,45min) ................................ 114



Ilustración 68. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-14min). .................................... 115



Ilustración 70. Ensayo 5: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-14min) ..................................... 116






Ilustración 74. Ensayo 7: Pretratamiento hidrotérmico (210°C-6min) ....................................... 118






Ilustración 78. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-14min) ....................................... 120

12



Ilustración 80. Tiempos de retención de xilosa, arabinosa, glucosa y galactosa. ....................... 121

Ilustración 81. Tiempo de retención de manosa. ........................................................................ 122

Ilustración 82. Tiempo de retención de celobiosa. ..................................................................... 123

Ilustración 83. Curva de calibración xilosa. ................................................................................ 124

Ilustración 84. Curva de calibración arabinosa. .......................................................................... 125

Ilustración 85. Curva de calibración glucosa. ............................................................................. 126

Ilustración 86. Curva de calibración galactosa. .......................................................................... 127

Ilustración 87. Curva de calibración celobiosa. .......................................................................... 128

Ilustración 88. Curva de calibración manosa. ............................................................................. 129

Ilustración 89. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-

5%m/v-14min). ........................................................................................................................... 130

Ilustración 90. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-

5%m/v-14min). ........................................................................................................................... 130

Ilustración 91. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-

14min). ........................................................................................................................................ 131

Ilustración 92. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-

14min). ........................................................................................................................................ 131

13

Evaluación de tratamientos alcalinos e hidrotérmicos asistidos con microondas para la

obtención de azúcares a partir de tallo de maíz

Resumen

En el presente trabajo en primera medida se seleccionó un residuo de cosecha de alto impacto

a nivel nacional, como lo es el maíz, más específicamente, el tallo, ya que este representa un amplio

porcentaje en masa de residuo con respecto al grano que es el producto de interés, además de esto

el maíz es uno de los cereales de más demanda con una producción de 1020 millones de toneladas

a nivel mundial según la FAO en reportes del 2014 y 1’069.059 toneladas en Colombia para el

periodo especifico de 2010 según el ministerio de agricultura y desarrollo rural (Chaverra,

Walteros, & Santamaría, 2010a; Food and agriculture organization of the united nations, 2014). El

residuo de cosecha se extrajo de la localidad de Tunjuelito en inmediaciones a la biblioteca del

Tunal y el hospital del Tunal, en un cultivo auto sostenible, perteneciente al parque urbanización

Santa Lucia ubicado exactamente en sur, Carrera 19Bis #47A-21, Bogotá, Colombia. Posterior a

la caracterización física y química que incluye determinación de humedad, sólidos totales, cenizas,

análisis orgánico elemental y determinación de contenido de lignina soluble e insoluble se

evaluaron dos pretratamientos distintos, pretratamiento de microondas/básico y pretratamiento

microondas/hidrotérmico, se desarrollaron 16 ensayos a diferentes condiciones para el

pretratamiento alcalino y 9 para el pretratamiento hidrotérmico, para un total de 25 ensayos, se

determinó cuál de los tratamientos presenta mayor rendimiento en la extracción de azúcares

hidrolizables de hemicelulosa y celulosa como materia prima por medio de la cuantificación de los

mismos por HPLC. Dentro de los resultados obtenidos se determinó que Colombia deja de

aprovechar 21.417,2535 TJ/año provenientes de residuos de cosecha de la siembra de maíz, cuya

disposición final es por lo general su quema.

14

Introducción

En la actualidad los residuos agroindustriales y de cosecha representan focos de contaminación

por la degradación de la biomasa (Saval, 2012), por lo general el método de tratamiento de dichos

residuos es su quema o implementación en la alimentación de animales de granja. Para el caso

particular del maíz, la parte de interés es el grano por lo cual el resto de la planta se reconoce como

un subproducto de cosecha de poco valor e interés, siendo el maíz uno de los cereales de mayor

demanda con una producción de 1020 millones de toneladas a nivel mundial y 119.8 millos de

toneladas en américa del sur, según el reponte Perspectivas de cosechas y situación alimentaria de

diciembre del 2014 presentado por la FAO (Food and agriculture organization of the united

nations, 2014); por ende se asume que los residuos generados por este tipo de cultivos son de

proporciones sumamente grandes.

Para el caso particular de Colombia, según el anuario estadístico del sector agropecuario y

pesquero 2010 del ministerio de agricultura y desarrollo rural (Chaverra, Walteros, & Santamaría,

2010b) reporta que para el periodo de 2010 Colombia sembró más de 495.612 hectáreas de maíz,

con una producción de 1’069.059 toneladas y un rendimiento de 2.157 kilogramos por hectárea,

lo que indica que hay una gran cantidad de residuos pos cosecha, por lo cual se hace pertinente

buscar métodos para la eliminación e implementación de dichos residuos. Una de las alternativas

que se encontró para la utilización de la biomasa restante, es la transformación en compuestos de

valor energético o económico. Teniendo claro que en Colombia se desperdicia el potencial

energético proveniente de los residuos agrícolas tanto de cosecha como industriales, se tiene que

desarrollar métodos por los cuales se pueda extraer el máximo potencial energético, en este caso

se implementaron los pretratamientos alcalino e hidrotérmico asistido con microondas, para

determinar cuál es el más adecuado y poder implementar las biomasa residuales como precursoras

15

para generar en estudios posteriores productos como biodiesel, etanol, metano, derivados de

furfural, hidrogeno o su implementación en la sucroquímica donde se pueden obtener ácido

oxálico, ácido acético, ácido L-glutámico, uretanos entre otros (Bizzo, Maria, Hovell, & Rezende,

2009).

16

Capítulos 1. Estado actual del tema

Definición del problema

Gran parte de la economía colombiana se desarrolla en el sector agropecuario, por consiguiente

se asume que en Colombia hay gran cantidad de producción de residuos provenientes de la

agricultura. Por lo general el tratamiento que reciben estos residuos es su quema, dando como

resultado gases producto de la combustión que resultan tóxicos para el medio ambiente, cuando

no es así, los residuos se pican y se dejan en descomposición en los suelos, de esta forma se ven

contaminadas las aguas superficiales, subterráneas y los mismos suelos donde se descomponen

los residuos, esto ocurre por medio de un mecanismo denominado contaminación potencial difusa

por actividad agrícola, en la cual, la descomposición tanto de la biomasa como la de los excesos

de pesticidas y fertilizantes generan lixiviados con altos contenidos de nitrógeno y fosforo que dan

como resultado la degradación de los recursos hídricos mediante el aumentando de la

eutrofización, carga de sólidos en suspensión, turbidez y la disminución de oxígeno disuelto

(Cotler & Daniel, 2010; Saval, 2012).

En Colombia se producen 71’943.813 toneladas anuales de residuos de diferentes cultivos,

1’936.479 toneladas anuales de residuos producto de la siembra y cosecha del maíz y 1’278.642

toneladas anuales específicamente de rastrojo de maíz (Escalante, Orduz, & Zapata, 2011), en

nuestro país la disposición final de los residuos provenientes de la siembra de maíz, en la mayoría

de los casos es la quema, de este modo se pierde un potencial energético importante y se generan

gases de combustión, además de esto se debe tener en cuenta que los datos anteriormente

mencionados no tienen en cuenta los residuos agrícolas industriales (RAI), por lo cual la cifra

total es muy superior a la mostrada, por este motivo se tiene que empezar a implementar la biomasa

residual como precursora en diferentes fines ya sean en la producción de biocombustibles de

17

segunda generación, en la sucroquímica o su implementación en la producción de papel, entre

otras.

Para lograr el máximo aprovechamiento de estos residuos es necesario desarrollar métodos que

permitan la mayor extracción de azucares estructurales de la biomasa dependiendo de las

características de la misma, por lo tanto se hace pertinente el presente estudio ya que se evaluara

y comparara la capacidad de extracción de azucares hidrolizables provenientes del tallo de maíz

por medio de los pretratamientos, hidrotérmico y alcalino asistidos con microondas y así

finalmente comenzar a aprovechar el potencial energético de dichos residuos.

18

Formulación del problema

¿Cuál pretratamiento, hidrólisis alcalina e hidrotérmica asistida con microondas en biomasa

residual generada a partir de la siembra de maíz (tallo) permite extraer mayor cantidad de azúcares

hidrolizables?

19

1. Antecedentes y justificación

1.1. Antecedentes

A continuación se presentan algunos de los artículos más relevantes con respecto a los

pretratamientos a implementar en el presente estudio, pretratamiento hidrotérmico y alcalino

asistido con microondas, se observaran las diferentes variables tenidas en cuenta como diferentes

rangos de temperatura y tratamientos finales para la biotransformación de la biomasa.

Dentro de los esfuerzos por implementar nuevas tecnologías y tratamientos para el

mejoramiento al acceso de hemicelulosa, celulosa y azúcares hidrolizables disponibles en la

biomasa residual, en este caso subproducto de la producción de maíz, se han implementado el

reactor Parr 4842 modelo no. 4551 en donde la biomasa se somete a rangos de temperatura entre

180°C y 223°C, seguido de la sacarificación y fermentación simultánea, obteniendo su mejor

rendimiento cuando la severidad del tratamiento fue de S0= 4,2, dando como resultado la

obtención de 12, 6 g de sacáridos solubles por cada 100g en peso seco de rastrojo de maíz

(Buruiana, Vizireanu, Garrote, & Parajó, 2014).

Otros autores utilizaron como materias primas suero, residuos secos de maíz, tallo de uva, orujo

de uva, paja de arroz, paja de cebada, piel y semillas de tomate, en este caso se implementó un

digestor con la biomasa inoculada con lodo digerido (se denominan lodos digeridos a los

sedimentos de aguas residuales que han pasado por un proceso de digestión aeróbica) con una

relación en masa de 1:2 (1 parte de lodo digerido y 2 partes de biomasa) para la producción de

biogás, en este caso las condiciones experimentales fueron de 40°C y un tiempo de duración de 40

días, dentro de los resultados obtenidos, los residuos que más generaron biogás fueron el suero y

los residuos secos de maíz. Como conclusión, residuos como paja de arroz, cebada y suero pueden

20

llegar a suplir un estimado del 50% al 30% de la energía producida en Italia, gracias a su gran

disposición es dicho país (Dinuccio, Balsari, Gioelli, & Menardo, 2010a).

Aparte de los productos de interés energético como biodiesel, etanol y biogás, la biomasa

residual también se puede aprovechar en la generación de otros productos de alto valor, en este

caso productos para el desarrollo de bioprocesos (ácidos grasos volátiles). De acuerdo con (Zhou

et al., 2013) la generación de ácidos grasos volátiles se da por medio de la digestión anaeróbica

de lodos activados y biomasa pre tratada, para el caso se desarrolló pretratamiento alcalino a paja

de maíz por medio de la adición de NaOH al 2% m/m a una temperatura de 85°C, con una relación

sólido-líquido de 1:10 (g de peso seco a mL) por una hora, posterior a esto se añadió la biomasa a

un reactor discontinuo con el lodo activado a diferentes proporciones, con un pH inicial controlado

de 10, se eliminó la presencia de oxigeno por medio de la inyección de nitrógeno para

posteriormente poner a condiciones experimentales de 35°C y 100 rpm/min. Se concluyó que las

proporciones que generaban mayor rendimiento en la obtención de ácidos grasos volátiles entre

lodo activado y paja de maíz pretratada es de 65% y 35% respectivamente.

Parte de los residuos generados en la producción de maíz es la tusa y está también se puede

implementar como materia prima para la generación de otras sustancias, para el caso específico,

la tusa de maíz fue pre tratada mecánicamente hasta alcanzar un tamaño de partícula de 8-10mm,

posterior a esto fue sometida a 80°C por 24h hasta alcanzar peso seco, luego se sometió a co-

pirolisis con aceite residual de cocina a diferentes proporciones en masa y diferentes temperaturas

para determinar cuáles son las condiciones óptimas para la producción de biogás, bio-aceite y

biochar (denominado también como biocarbón, producto de grano fino y poroso similar en

apariencia al carbón vegetal. Se produce a partir de la transformación de distintos tipos de biomasa

mediante la técnica denominada pirolisis), encontrando que las temperatura indicada para la co-

21

pirolisis es de 550°C y la proporción en masa más apropiada es de 1:1, generando 32,78 MJ/kg

de energía para el caso de bio-aceite, 24,96 MJ/kg de energía para el caso del bio-char y 16,06

MJ/Nm3 de energía para el caso del biogás (G. Chen et al., 2014).

Los residuos de tusa de maíz también fueron implementados para la producción de L-

asparaginasa de bajo peso molecular, esta fue producida a partir de 0,2% (w / v) de lactosa, 0,1%

(w / v) de nitrato de sodio, 6% (w / v) de polvo de tuza de maíz pre tratada y 4% (v / v) de

suspensión bacteriana KK2S4 en 50 mL de medio de cultivo MM9 a pH 5 y 40 °C, el

pretratamiento que se le dio a la tusa de maíz en principio fue su secado al sol por dos semanas,

posteriormente se redujo el tamaño de partícula por medios mecánicos y se sometió a hidrólisis

alcalina con hidróxido de sodio al 2 N por una noche, luego se ajustó el pH a 7 y se filtró, estando

listo el residuo para su implementación en la producción de L- asparaginasa que es implementada

para el tratamiento de la leucemia linfoblástica aguda (Makky, Loh, & Karim, 2014).

Otros estudios apuntan a la estandarización de procesos por medio del análisis estadístico de

las variables inherentes a estos y el rendimiento del producto de interés, para el caso específico, se

observaron estudios donde se evalúan las condiciones óptimas de funcionamiento de

pretratamientos hidrotérmicos y alcalinos implementando microondas, dentro de los residuos de

cosecha o agroindustriales, los más implementados son las pajas de los cereales de más demanda

tanto a nivel local, nacional como internacional, dentro de los cuales se encuentra, arroz, sorgo y

trigo entre otros, además de la implementación de residuos producto de la siembra y cosecha de

cereales también se utilizaron productos de consumo humano como lo es el caso específico de la

harina de maíz.

Dentro de las variables a evaluar se encontró (estas dependen única y exclusivamente de los

intereses y propósitos de cada investigación) de forma general, tamaño de partícula de la materia

22

prima (TP), intensidad de la radiación (IM), tiempo de irradiación (TI), concentración del sustrato

(CS) y para el caso de la implementación de ácidos o álcalis, concentración de los mismos ([ ]),

algunos estudios omiten la temperatura a la cual se desarrollan los ensayos, dándole muchas más

relevancia a los cambios de intensidad de las microondas, mientras que otros autores dan más

relevancia a los cambios de temperatura, a continuación en las tablas 1 y 2 se presenta un resumen

de algunos de los estudios que se han hecho con respecto a pretratamientos hidrotérmicos y

alcalinos implementando microondas:

23

Tabla 1. Antecedentes pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas.

IM: Intensidad de las microondas, TI: Tiempo de irradiación, CS: Concentración de sólidos, T: Temperatura.

Pretratamiento hidrotérmico asistido con microondas

Residuo IM (W) TI

(min) CS g/L T (°C) Tratamiento Resultados Ref

Paja de arroz 320-680 20-30 60-90 - Sacarificación

enzimática

Variables que presentaron mayor

rendimiento: IM: 680, TI: 24 y

CS: 75.

(Ma, Liu,

Chen, Wu, &

Yu, 2009)

Paja de cebada,

de trigo en

primavera, de

trigo en invierno

y de avena

- 15 - 200-

300

Digestión

aeróbica

Pretratamiento con microondas no

mejora la digestibilidad, aumentos

en la temperatura generan bajos

niveles de biogás, se recomiendo

pretratamiento mecánico

(Sapci,

2013)

Harina de maíz

(no es un

residuo)

80 1-10 - 96

Sacarificación

y fermentación

simultanea

Pretratamiento de microondas

aumento la producción de etanol

por medio de SSF en un 2%

aproximadamente

(Nikolić,

Mojović,

Rakin, Pejin,

& Pejin,

2011)

24

Tabla 2. Antecedentes pretratamiento alcalino asistido por microondas

Pretratamiento alcalino con microondas

Residuo IM (W) TI

(min) CS g/L T (°C) [ ]%

TP

(mm) Tratamiento Resultados Ref

Bagazo se

sorgo - 60 15 100-160

28

(1:0,5:8)

(NH4OH)

9,5-18

4-6

1-2

Hidrólisis

enzimática y

fermentación

Variables que

presentaron

mayor

rendimiento:

TP:1-2, T:130

(C. Chen,

Boldor, Aita,

& Walker,

2012)

Residuos de

planta de

algodón

100-600 0-7 0,5-5 - 0,5-5 0,6-1 Sacarificación

enzimática

Variables que

presentaron

mayor

rendimiento:

IM: 300, TI:6 y

TP: 1.

(Vani et al.,

2012)

Paja de trigo N.R N.R N.R - N.R

NaOH -

Sacarificación

y fermentación

simultanea

Variables que

presentaron

mayor

rendimiento:

IM:1000, TI:15

y [NaOH]:10g/L

(Xu et al.,

2011)

Cascaras y

paja de

arroz

500-700 10-30 5-50 - 0,5-5 0,2-1

Sacarificación

y fermentación

simultanea

Variables que

presentaron

mayor

rendimiento:

TI:22.50, CS:30

y [Alcali]:2,75

(Singh,

Tuteja,

Singh, &

Bishnoi,

2011)

IM: Intensidad de las microondas, TI: Tiempo de irradiación, CS: Concentración de sólidos, T: Temperatura, [ ] %: Concentración, TP: tamaño de partícula.

25

Como se observa en la tabla 1 y 2, los pretratamientos hidrotérmicos asistidos con microondas

se implementan de forma amplia tanto en residuos como en materias primas no residuales, algunos

autores prefieren evalúan la correlación entre la intensidad de la irradiación frente a la los

resultados obtenidos, mientras que otros evalúan la correlación de la temperatura frente a los

resultados obtenidos, se observa que no se tiene rangos de temperatura ni tiempo que se puedan

describir como homogéneos, además de esto se observa que algunos pretratamiento se desarrollan

en seco, por lo tanto no se tiene en cuenta la concentración de biomasa y no se le aplica a la misma

algún pretratamiento mecánico, sin embargo si lo recomiendan.

1.2. Justificación

Durante las dos últimas décadas se han desarrollado diferentes métodos para disminuir los

problemas medioambientales generados por los residuos de cosecha y los agro industriales ya que

estos desmejoran la calidad de los suelos y contaminan las aguas superficiales y subterráneas

(Saval, 2012). Para menguar este fenómeno se ha implementado la biomasa residual como materia

prima para la producción de compuestos de interés económico y energético como lo son el

biodiesel, etanol, metano, derivados de furfural e incluso algunas investigaciones apuntan en la

actualidad al desarrollo de hidrogeno (Hendriks & Zeeman, 2009).

La conversión de biomasa residual ha adquirido gran importancia en cuanto a su transformación

a compuestos de interés energético ya que el consumo de energía es directamente proporcional al

crecimiento poblacional mundial y por ende va en aumento. Debido a que gran parte de esta

energía es suministrada por recursos renovables a muy largo plazo como lo son los combustibles

fósiles (petróleo, gas natural y carbón), se estima una disminución del 80% en la producción

26

mundial anual de barriles de petróleo para el 2050 (Jeong & Lee, 2015) por lo tanto se hace

necesario encontrar alternativas auto sostenibles de energía.

Según estudios del ministerio de minas y energía, Colombia produce alrededor de 71.943.813

toneladas por año (Escalante et al., 2011) de biomasas residual producto de la actividad agrícola,

por ende se hace pertinente el aprovechamiento energético de la misma, mediante el desarrollo de

protocolos que den como resultado su máximo aprovechamiento, dando así una mejor disposición

final a los residuos y generando productos de valor comercial y energético.

27

2. Hipótesis

El pretratamiento alcalino asistido con microondas permitirá extraer una cantidad superior de

azúcares ya que la base no solubiliza la fracción que corresponde a lignina, dando mejor acceso a

los azúcares estructurales mientras.

3. Objetivos

3.1. General

Evaluar la extracción de azúcares hidrolizables de la biomasa residual (tallo) proveniente de la

cosecha de maíz, implementando pretratamientos de hidrólisis alcalina e hidrotérmico asistida con

microondas.

3.2. Específicos

i. Caracterizar la biomasa residual (tallo) proveniente de la cosecha de maíz para determinar

si cumple con las condiciones adecuadas para su implementación como precursor de

compuestos de interés.

ii. Implementar los pretratamientos alcalino e hidrotérmico asistidos con microondas para

evaluar cómo reacciona la biomasa residual (tallo de maíz) a diferentes condiciones de

temperatura, tiempo y concentración.

iii. Evaluar por medio de la cromatografía líquida de alta eficiencia cuál de los dos

pretratamientos implementados permite extraer una mayor cantidad de azúcares

estructurales de la biomasa residual proveniente del cultivo de maíz (tallo).

28

4. Marco teórico

4.1. Residuos agrícolas de cosecha e industriales

Se denomina como biomasa residual al sub producto que queda después de la obtención del

producto primario de las actividades agrícola, pecuaria y forestal, de este modo se reconocen dos

tipos de residuo denominados RAC (residuo agrícola de cosecha) y RAI (residuo agrícola

industrial) los cuales son utilizados como precursores de productos de interés económico y

energético, ejemplo de esto es la implementación de los RAC y RAI producto de la siembra y

cosecha de cereales tanto primarios como secundarios (Escalante et al., 2011; Saval, 2012).

Dentro de los cereales secundarios, uno de los más importantes y de mayor producción tanto a

nivel mundial como a nivel nacional es el maíz, por lo cual la producción de residuos a partir de

este es de gran proporción si se tiene en cuenta que el producto de interés es el grano como tal,

muestra de esto es el factor de residuo del rastrojo de maíz que tiene un valor de 0,93 lo que quiere

decir que una producción anual de 1’368.996 toneladas de maíz genera 1’278.642 tonelada de

biomasa residual para el caso específico del año 2006 según el anuario estadístico del sector

agropecuario y centros de investigación y federaciones relacionadas, en Colombia (Escalante et

al., 2011).

4.2. Biomasa residual y su composición

Los RAC y RAI siendo biomasa vegetal está compuestos principalmente de celulosa,

hemicelulosa y lignina. La celulosa es un homopolisacarido de alto peso molecular constituido por

sub unidades de D-glucosa que están unidas por medio de enlaces glicosídicos β-1,4 formando

estructuras cristalinas amorfas y fibras, la hemicelulosa es un heteropolisacárido de peso molecular

más bajo que la celulosa, está constituido tanto por pentosas (xilosa y arabinosa) como hexosas

29

(manosa, glucosa y galactosa) y ácidos de azúcar (ácido glucurónico y ácido ferúlico) que están

unidas por medio de enlaces glicosídicos β-1,4, la hemicelulosa que se encuentra presente en

maderas duras contiene principalmente xilano, es decir su estructura cuenta esencialmente con

xilosa mientras que las maderas blandas contiene principalmente glucomanano, es decir su

estructura cuenta esencialmente con manosa (Saha, 2003), siendo su función principal dar

consistencia a la biomasa y la lignina que es un heteropolímero amorfo formado por tres sub

unidades derivadas del fenilpropano como lo son alcohol p-cumarílico, alcohol coniferílico y

alcohol sinapílico, la función principal de este es darle soporte estructural a la biomasa, además de

esto es impermeable, brinda protección contra ataques microbianos y estrés oxidativo (Hendriks

& Zeeman, 2009).

4.3. Tipos de pretratamiento y su función

Para la transformación de la biomasa residual en materia prima de otros productos de interés es

necesario realizar algún tipo de pretratamiento que permita ampliar la accesibilidad a los azúcares

presentes tanto en la celulosa como en la hemicelulosa y su separación de la lignina, además de lo

ya mencionado el pretratamiento debe dar como resultado un rendimiento elevado en cuanto a la

hidrólisis de azúcares y debe ser energética y económicamente sostenible (Binod & Pandey,

2015), dentro de los factores que limitan la hidrólisis de los azúcares se encuentra la complejidad

de la estructura cristalina de la celulosa, el grado de polimerización, contenido de humedad,

superficie de contacto disponible y contenido de lignina en la biomasa (Hendriks & Zeeman,

2009). Dentro de los pretratamientos que se pueden llegar a implementar para lograr una hidrólisis

efectiva en la biomasa, se pueden encontrar pretratamientos físicos (mecánico, hidrotérmico,

30

microondas), químicos (ácido, básico y oxidativo), físico y químico (termoquímico) y biológico

(microorganismos) (Binod & Pandey, 2015; Hendriks & Zeeman, 2009).

4.4. Pretratamientos físicos

En la actualidad se podría suponer que el pretratamiento mecánico es indispensable a la hora

de optimizar la obtención de azúcares hidrolizables de los RAC y RAI, este pretratamiento consta

de la disminución del tamaño de partícula de la biomasa por medios mecánicos, esto disminuye el

grado de polimerización y aumenta la superficie de contacto disminuyendo los tiempos de

digestión (biotransformación) y aumentando el rendimiento en la obtención de azúcares

hidrolizados, los pretratamiento hidrotérmico son considerados como tecnología verde ya que

estos implementan únicamente agua e incremento en la temperatura, por lo general estos proceso

se desarrollan en rangos de temperatura de 160 a 240°C ya que a estas temperaturas se hidroliza

la celulosa y la hemicelulosa, y a temperaturas superiores se podría llegar a dar procesos de

pirolisis, se tiene como generalidad que a temperaturas bajas el proceso tiene un tiempo de

duración prolongado y a temperaturas altas se tienen un tiempo de duración bajo, esto con el fin

de evitar la formación de sustancia inhibidoras del proceso como lo son los compuestos

heterocíclicos y fenólicos (vainillina, alcohol vainillinico, furfural y HMF) (Hendriks & Zeeman,

2009; Jeong & Lee, 2015).

4.5 Pretratamientos químicos

Dentro de los pretratamientos químicos se encuentra la hidrólisis por medio de la

implementación de ácidos ya sea orgánicos o minerales y la implementación de bases, este tipo de

hidrólisis se puede desarrollar tanto a altas concentraciones como a bajas concentraciones y a

31

temperatura ambiente o bajo condiciones térmicas controladas, por lo general el pretratamiento

con ácido mineral concentrado se desarrolla a concentraciones no superiores a 30% m/v y a

temperatura ambiente o inferior a 100°C para evitar la formación de inhibidores, cuando el

pretratamiento se desarrolla a concentraciones bajas, los rangos por lo general son de 0.5 a 5% m/v

y temperaturas de 120 a 215°C, dentro de las desventajas que se presentan en este tipo de

pretratamientos se encuentran la formación de inhibidores, alto costo, recuperación del ácido,

contaminación e implementación de sustancias básicas para la neutralización de residuos y por lo

tanto la generación de subproductos (Jung & Kim, 2015). Los pretratamiento alcalinos se

desarrollan a temperaturas y concentraciones menores que las vistas en los pretratamientos ácidos,

por lo general se llevan a cabo a temperaturas máximas de 180°C y concentraciones muy bajas,

algunos reportan concentraciones mínimas hasta de 0,01g de álcali sobre g de biomasa y

concentraciones máximas de 15% m/m, dentro de las ventajas que presenta este tipo de

pretratamiento es la eliminación de lignina ya que esta no se hidroliza como ocurre en el caso de

pretratamientos ácidos y como desventaja se observa un aumento considerable en el tiempo de

duración del proceso (Sindhu, Pandey, & Binod, 2015).

4.6. Implementación de microondas como pretratamiento

En la actualidad también se implementan tecnologías como las microondas a modo de

pretratamiento, estas son ondas electromagnéticas que van desde 0.01 a 1 m de longitud y cuentan

con frecuencias que van desde 0.03 a 300 GHz, la materia al interactuar con dichas ondas,

responde de manera diferente dependiendo de su naturaleza, por lo cual se puede clasificar la

materia en tres categorías distintas, la primera, materia que es capaz de absorber las microondas,

la segunda, materia conductora que por lo general corresponde a metales en los cuales las

32

microondas no pueden penetrar y por ultimo materia aislante, en la cual las microondas no generan

ningún estímulo pasando de largo como es el caso del cuarzo (Motasemi & Afzal, 2013).

La materia que es capaz de absorber este tipo de radiaciones sufre de efectos térmicos los cuales

son aprovechados para mejorar la accesibilidad a los componentes de la biomasa residual, por lo

general este tipo de pretratamiento implementa agua como medio pero las microondas también se

pueden implementar en conjunto con pretratamientos químicos, como lo son la hidrólisis ácida,

alcalina y otras hidrólisis con líquidos iónicos y sales, dentro de las variables que se deben

controlar se tienen, concentración, presión, temperatura, tiempo de duración y potencia en W entre

otras, se aclara además que dichas variables dependen en su totalidad de la naturaleza del aparato

en el cual se desarrollen los pretratamientos (Xu, 2015).

33

5. Metodología

El tipo de investigación que se desarrolló es de carácter cuantitativo ya que una de las

finalidades fue determinar qué cantidad de azúcares hidrolizables se pueden llegar a extraer por

medio de la implementación de dos pretratamientos diferentes, pretratamiento hidrotérmico

asistido por microondas y pretratamiento alcalino asistido por microondas, con el fin de identificar

cuál de estos se presta para la óptima implementación de residuos de cosecha como materias

primas de otros productos.

5.1. Preparación de la muestra para análisis composicional

El residuo de cosecha que se seleccionó para el desarrollo de la investigación es la caña de

maíz ya que es uno de los granos de más siembra en el mundo y por lo tanto uno de los que más

genera biomasa residual, las muestras serán obtenidas de un cultivo auto sostenible ubicado en la

ciudad de Bogotá en la localidad de Tunjuelito; en pos cosecha. Dentro de los análisis que se

desarrollaron, en primera medida se realizó la caracterización del residuo de cosecha, para dicho

procedimiento se preparó la muestra, implementó la norma ASTM E 1757 – 01 (Standard practice

for preparation of biomass for compositional analysis) (ASTM, 2011), en la cual se especifica que

antes de desarrollar cualquier tipo de procedimiento analítico es necesario reducir el contenido de

humedad a menos del 10 % y reducir el tamaño de partícula por medio de métodos mecánicos,

tamizar y seleccionar un tamaño de partícula adecuado para el desarrollo de los análisis posteriores,

la selección de un tamaño de partícula adecuado es opcional.

34

5.2. Determinación de porcentaje de humedad y sólidos totales

Seguidamente se desarrolló la determinación de porcentaje de humedad, sólidos totales y

cenizas, los dos primeros procedimientos se desarrollaran implementando el protocolo NREL/TP-

510-42621 (Determination of total solids in biomass and Total dissolved solids in liquid process

samples) propuesto por la National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Hyman, et al.,

2008), en primera medida se tiene que tarar los crisoles o los recipientes que se implementaran en

el ensayo, después de lavados y secados se marcan los crisol y se pesan, luego se someten en un

estufa de convección a una temperatura de 105°C ± 3°C por un mínimo de tiempo de 4 horas, se

dejan enfriar en el desecador, se pesan y se calientan de nuevo a 105°C ± 3°C por una hora, se

repite el procedimiento hasta alcanzar masa constante.

Posterior a esto se pesó una cantidad de muestra entre 0.5 g a 2 g, se añade la cantidad

seleccionada a los crisoles previamente tarados, se pesaron y luego se someten a calentamiento en

una estufa de convección a 105°C ± 3°C por un tiempo mínimo de 4 horas, se dejaron enfriar en

el desecador, se pesaron y se calentó de nuevo a 105°C ± 3°C por una hora, se repite el

procedimiento hasta alcanzar masa constante o determinar que la pérdida de masa es inferior a

±0,1%, posterior a esto se desarrollaron los cálculos.

5.3. Determinación de cenizas

Para la determinación de cenizas en la biomasa seleccionada se implementó el protocolo

NREL/TP-510-42622 (Determination of ash in biomass) propuesto por la National Renewable

Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Ruiz, Scarlata, et al., 2008), se procedió a tarar los crisoles a

implementar en el ensayo, después de lavados y secados se marcaron y se pesaron, luego se

sometieron en la mufla a una temperatura de 575°C ± 25°C por un mínimo de tiempo de 4 horas,

35

se dejaron enfriar en el desecador, se pesaron y se calentaron de nuevo a 575°C ± 25°C por una

hora, se repitió el procedimiento hasta alcanzar masa constante. Posterior a esto se pesó una

cantidad de muestra entre 0.5 g a 2 g, se añadió la cantidad seleccionada a los crisoles previamente

tarados, se pesaron, se determinó la cantidad de humedad como se mostró en protocolos anteriores,

esto para asegurar que los cálculos de ceniza se desarrollen en base a peso seco de muestra y

eliminar interferencias posibles por contenido de humedad, luego la muestra deshidratada se

sometió a calentamiento en la mufla a 575°C ± 25°C por un tiempo mínimo de 24 ± 6 horas, se

dejó enfriar en el desecador, se pesó y se calentó de nuevo a 575°C ± 25°C por una hora, se repite

el procedimiento hasta alcanzar masa constante o determinar que la pérdida de masa es inferior a

±0,1%, posterior a esto se desarrollan los cálculos.

5.4. Análisis orgánico elemental (OEA)

Dentro de los análisis implementados también se desarrollara un análisis orgánico elemental en

donde se determinara el contenido de C, H, N, S y O, este análisis se llevó a cabo por medio del

equipo de OEA THERMO FLASH 2000 de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

5.5. Determinación de extractivos

La determinación de extractivos se desarrolló por medio del protocolo NREL/TP-510-42619

(Determination of Extractives in Biomass), propuesto por la National Renewable Energy

Laboratory (A. Sluiter, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter & Templeton, 2008), para el caso se

procedió a tarar los balones del equipo Soxhlet, dicho procedimiento se desarrolló de igual forma

como se taran los crisoles en la determinación de sólidos totales y humedad, posteriormente se

insertó de 2 a 10 g de biomasa en un dedal tarado, se desarrollaron dos extracciones exhaustivas,

36

la primera añadiendo 190 ± 5 mL de agua destilada procurando mantener una temperatura que

permita ciclos de 4 a 5 sifones por hora, manteniéndose de 6 a 24 horas, se retiró el balón con la

fracción acuosa y se realizó una nueva extracción a la misma biomasa añadiendo a un nuevo balón

190 ± 5 mL de etanol, se ajustó la temperatura adecuada que permitiera ciclos de 6 a 10 sifones

por hora, manteniéndose de 16 a 24 horas, se dejó enfriar a temperatura ambiente, se lavado en

frio con un aproximado de 100 mL de etanol para luego rotaevaporar ambas extracciones, se pesó

los sólidos obtenidos para luego determinar el % de extraíbles.

5.6. Determinación de azúcares estructurales, lignina soluble e insoluble

Para la determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble e insoluble en biomasa se

implementó el protocolo NREL/TP-510-42618 (Determination of Structural Carbohydrates and

Lignin in Biomass) propuesto por la National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames,

Ruiz, & Scarlata, 2008), en este caso se procedió inicialmente a tarar crisoles con filtro de igual

forma que se procedió en la determinación de cenizas, posterior a esto se pesaron 300 ± 10 mg,

se determinó sólidos totales y humedad para asegurar que la determinación de lignina no se vea

afectado por el contenido de humedad de la muestra, es decir el análisis se hace en base a peso

seco, se añadió 3 ± 0,01 mL de H2SO4 al 72% m/m y se mantuvo en agitación constante con un

agitador de vidrio por un minuto, luego se sometió a baño María durante 60 ± 5 min a una

temperatura de 30°C ± 3°C agitando cada 5 a 10 min, luego se procedió a diluir la solución

añadiendo 84 ± 0,04 mL de agua desionizada, se homogenizo y se embalo correctamente para

someter a autoclavado por una hora a 121°C, el sólido restante se filtró implementado los crisoles

anteriormente tarados, (la solución de hidrólisis se guardó en un Erlenmeyer) se determinó

humedad y cenizas como se hizo en protocolos anteriores y luego se procedió a desarrollar los

37

cálculos según el protocolo para la determinación de lignina insoluble, para la determinación de

lignina soluble se implementó la espectrofotometría uv-visible, midiendo la absorbancia a la

solución de hidrólisis a 320 nm y desarrollando el algoritmo según el protocolo. El sobrenadante

producto de la filtración se tiene que guardar para posterior cuantificación de los azúcares

estructurales por medio de cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC), posteriormente se

mencionará en detalle que azúcares se cuantificaron, como se desarrollan las curvas de calibración

y cuáles son los parámetros para el desarrollo de la misma.

5.7. Determinación del poder calórico

Para la determinación del poder calórico de la biomasa se implementó un calorímetro IKA

C2000 de Universidad Distrital Francisco José de Caldas, para este caso se tomó un aproximado

de 1 g de biomasa, por medio de una prensa se le dio forma de dedal, se pesó nuevamente, se

introdujo en el dedal de cuarzo el cual se insertó de forma delicada en el reactor de combustión y

posteriormente se programó el equipo para desarrollar el respectivo análisis.

5.8. Selección de variables, desarrollo de pretratamientos, hidrólisis y cuantificación

Posterior a la caracterización se procedió a desarrollar los pretratamientos seleccionados,

pretratamiento alcalino e hidrotérmico asistidos con microondas, teniendo en cuenta las diferentes

varíales que estos conllevan como son concentración, presión, temperatura, tiempo de duración y

potencia en W entre otras, se hace la salvedad, las variables son susceptibles a la naturaleza del

equipo implementado, en este caso, equipo de microondas Discover SP de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas. Posterior a la selección de los tratamientos y la determinación de las

variables inherentes al proceso, se seleccionaron valores máximos y mínimos teóricos de las

38

variables por medio de una revisión bibliográfica, esto con el fin de desarrollar los 16 ensayos para

el pretratamiento alcalino y 9 ensayos para el pretratamiento hidrotérmico entre los rangos

establecidos. Luego se cuantificó la cantidad de azúcares producto de la hidrólisis de la celulosa y

la hemicelulosa en los 25 ensayos, para esto se implementara la metodología sugerida en el

protocolo NREL/TP-510-42618 (Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in

Biomass) propuesto por la National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Ruiz, &

Scarlata, 2008), la cuantificación se realizara por medio de HPLC utilizando estándares de los

azúcares presentes en la biomasa, en este caso, D-celobiosa, D (+) glucosa, D (+) xilosa, D (+)

galactosa, L (+) arabinosa y D (+) manosa, se desarrollaron curvas de calibración con dichos

estándares, a las concentraciones recomendadas por la NREL, entre 0,1 mg/mL y 4 mg/mL. Las

columnas implementadas durante los análisis pueden ser de varios tipos entre los que se pueden

encontrar la SP0810 Shodex sugar y la Aminex HPX-87P. La fase móvil se compone de agua tipo

HPLC filtrada a 2μm y desgasificada, el volumen inyectado de muestra fue de 10-50μL, el caudal

de la fase móvil fue 0,6 mL/min, la temperatura de la columna estuvo en rangos de 80-85°C y el

tiempo de corrido de cada muestra fue de 35 min.

5.9. Diseño experimental y superficies de respuesta

Con los datos teóricos obtenidos de los valores máximos y mínimos de las variables en cada

pretratamiento y por medio del asistente de experimentos del software STATGRAPHICS

Centurion (XVI.I), se determinó las condiciones experimentales de cada ensayo, posterior al

desarrollo de estos, su hidrólisis y cuantificación, los datos experimentales se ingresaron

nuevamente al software para su tratamiento estadístico y diseño de superficies de respuesta, para

39

la determinación de los valores óptimos de operación y correlación de la variables por medio del

análisis ANOVA.

40

6. Cronograma de actividades

Tabla 3. Cronograma de actividades en meses.

Actividades Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4 Mes 5 Mes 6

Revisión bibliográfica

Recolección de la biomasa

Determinación de humedad

(muestra fresca)

Pretratamiento mecánico y tamizaje

de la muestra

Determinación de humedad

(muestra pre tratada)

Determinación de sólidos totales

Determinación de cenizas

Determinación de C, H, N, S y O

por medio de un equipo de OEA

Determinación de extractivos en

biomasa

Determinación de carbohidratos

estructurales, lignina soluble he

insoluble

Determinación del poder calórico

Revisión bibliográfica para la

determinación de valores máximos

y mínimos de las variable

inherentes a los pretratamientos

Desarrollo de 16 ensayos por

pretratamiento dentro de los rangos

establecidos anteriormente

Cuantificación de azúcares

producto de la hidrólisis de celulosa

y hemicelulosa provenientes del

residuo de cosecha por medio de

HPLC

Diseño de superficie de respuesta

con los datos obtenidos en los dos

pretratamientos implementados

para determinar cuál es el que

ofrece más rendimiento y bajo qué

condiciones.

41

Capítulo 2. Caracterización inicial de la biomasa

7. resultados

7.1. Recolección y muestro

La biomasa que se implementó para el desarrollo de la investigación fue recolectada en un

cultivo auto sostenible ubicado en la localidad de Tunjuelito, específicamente en el parque

urbanización Santa Lucia, a continuación de muestra la ubicación exacta:

Ilustración 1. Ubicación del sitio de recolección (Sur, Carrera 19Bis #47A-21, Bogotá, Colombia).

La recolección de la muestra se efectuó con autorización de la junta de acción comunal y los

miembros encargados del sostenimiento del cultivo, este se realizó el 02 de Abril de 2016 en horas

de la mañana y en pos cosecha, la biomasa recolectada según el encargado corresponde a maíz

porva, se procedió a desarrollar determinación taxonómica de la especie en el herbario nacional,

42

pero no fue posible, ya que en dicha institución los niveles taxonómicos para la biomasa en

cuestión solo llegan hasta Zea mays.

Ilustración 2. Cultivo de maíz.

Posterior a la recolección, se extrajo hojas, espiga y residuos de mazorca presentes en el tallo

para así continuar con la preparación de la muestra para el análisis composicional.

43

7.2. Preparación de la muestra para análisis composicional

Teniendo el tallo o caña de maíz listo para su preparación, se redujo el tamaño de partícula a 10

cm y se dejó secar a temperatura ambiente hasta que el porcentaje de humedad fue de 10% o

menos, luego se procedió a disminuir su tamaño de partícula por medio de un molino de mano.

Ilustración 3. Comparación entre caña de maíz desnuda y con hojas.

Ilustración 4. Disminución de tamaño de partícula por pretratamiento mecánico.

44

7.3. Determinación de porcentaje de humedad, sólidos totales y cenizas

Estas de terminaciones se desarrollaron como se menciona en la sección de metodología, sin

embargo se aclara que para el desarrollo, fue necesario efectuar los protocolos NREL/TP-510-

42621 (Determination of total solids in biomass and Total dissolved solids in liquid process

samples) propuesto por la National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Hyman, et al.,

2008) y NREL/TP-510-42622 (Determination of ash in biomass) propuesto por la National

Renewable Energy Laboratory (Sluiter, Hames, Ruiz, Scarlata, et al., 2008) en simultaneo, esto

para que los resultados tuvieran mayor validez, se desarrolló de esta forma ya que es lo

recomendado por la NREL.

En primera medida se lavaron, secaron y marcaron los crisoles implementados para el análisis,

luego se sometieron en un estufa de convección a una temperatura de 105°C ± 3°C por un mínimo

de tiempo de 4 horas, se dejaron enfriar en el desecador, se pesaron y se calentaron de nuevo a

105°C ± 3°C por una hora, se repite el procedimiento hasta alcanzar masa constante.

Tabla 4. Tarado de crisoles (Determinación de % de humedad, sólidos totales y cenizas).

Tarado de crisoles

Crisoles Masa i (g) Masa f (g)

Crisol 1 14,756 14,755

Crisol 2 16,945 16,943

Crisol 3 19,935 19,932

Luego se añadió a cada crisol tarado una cantidad exacta de 1 g, se someten a calentamiento

en una estufa de convección a 105°C ± 3°C por un tiempo mínimo de 4 horas, se dejó enfriar en

el desecador, se pesó y se caliento de nuevo a 105°C ± 3°C por una hora, se repitió el procedimiento

hasta alcanzar masa constante o determinar que la pérdida de masa es inferior a ±0,1%, luego la

muestra deshidratada se sometió a calentamiento en la mufla a 575°C ± 25°C por un tiempo

45

mínimo de 24 ± 6 horas, se dejó enfriar en el desecador, se pesó y se calentó de nuevo a 575°C ±

25°C por una hora, se repitió el procedimiento hasta alcanzar masa constante o determinar que la

pérdida de masa es inferior a ±0,1%, posterior a esto se desarrollan los cálculos como se muestra

a continuación:

46

Tabla 5. Determinación de % de humedad, sólidos totales y cenizas.

Tabla 6. Desviación estándar del % de humedad.

% Humedad

xi fi xi*fi xi^2*fi σ^2 √σ^2

8,8 1 8,8 77,44

0,002 0,047

8,8 1 8,8 77,44

8,7 1 8,7 75,69

Promedio Sumatoria

8,77 230,57

Crisoles Masa i

(g)

Masa +

muestra

(g)

Masa inicial

muestra (g)

Masa + muestra

105°C (g)

Masa

pérdida (g)

%

Humedad

M restante

(g) % S T

Masa + muestra

573°C (g)

% s

orgánicos % cenizas

Crisol 1 14,755 15,755 1,000 15,667 0,088 8,8 0,912 91,2 14,799 95,175 4,825

Crisol 2 16,943 17,943 1,000 17,855 0,088 8,8 0,912 91,2 16,988 95,066 4,934

Crisol 3 19,932 20,932 1,000 20,845 0,087 8,7 0,913 91,3 19,977 95,071 4,929

0,088 8,8 91,2 95,104 4,896

47

Tabla 7. Desviación estándar del % de sólidos totales.

% Sólidos totales


91,2 1 91,2 8317,44

0,002 0,047

91,2 1 91,2 8317,44

91,3 1 91,3 8335,69

Promedio Sumatoria

91,2 24970,57

Tabla 8.Desviación estándar del % cenizas.

% Cenizas


4,825 1 4,825 23,276

0,0025 0,05

4,934 1 4,934 24,346

4,929 1 4,929 24,293

Promedio Sumatoria

4,896 71,915

48

7.4. Análisis orgánico elemental (OEA)

La determinación de OEA se desarrolló por medio del equipo OEA THERMO FLASH 2000,

en este caso se tomó una masa exacta del material a analizar se corrió en el equipo y se comparó

con una serie de estándares previamente corridos, de este modo se identificó que porcentaje de C,

H, O, N y S están presentes en la muestra. En este caso no se determinó contenido de O ya que no

se contaba con la fracción del aparato que efectúa el análisis

Tabla 9. Análisis orgánico elemental.

En este caso el análisis se desarrolló para determinar el porcentaje de proteína presente en la

muestra, esto se logra multiplicando el porcentaje de nitrógeno por el factor de nitrógeno específico

para el residuo (FN= 0,46). Se concluye entonces que la muestra no contiene nitrógeno.

49

7.5. Determinación de extractivos en biomasa

Para el desarrollo de este análisis se pesó 5,02 g de biomasa residual, se introdujo en un dedal

de celulosa y se puso a reflujo en un equipo de extracción Soxhlet previamente tarado, en este caso

se tararon solo los balones:

Tabla 10. Tarado de balones (Determinación de % de extraíble).

Balón Mi (g) Mii (g)

Duran 250mL 107,880 107,880

Lab Scient 250mL 147,143 147,143

La extracción en fase acuosa se desarrolló de la siguiente forma, se añadió 190 ± 5 mL de agua

destilada en el balón (Duran) procurando mantener una temperatura que permitiera ciclos de 4 a

5 sifones por hora, manteniéndose de 6 a 24 horas, se retiró el balón con la fracción acuosa y se

realizó una nueva extracción a la misma biomasa añadiendo a un nuevo balón (Lab Scient) 190 ±

5 mL de etanol, se ajustó la temperatura adecuada que permitió ciclos de 6 a 10 sifones por hora,

manteniéndose de 16 a 24 horas, se dejó enfriar a temperatura ambiente, se desarrolló un lavado

en frio con un aproximado de 100 mL de etanol para luego rotaevaporar ambas extracción, se pesó

los sólidos obtenidos para luego determinar el % de extraíbles:

𝑂𝐷𝑊 (𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎) =𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑥 % 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

100

% 𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 =𝑀𝑎𝑠𝑎𝑏𝑎𝑙𝑜𝑛+𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 − 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑏𝑎𝑙𝑜𝑛

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥 100

50

Ilustración 5. Extracción Soxhlet.

Terminadas las extracciones, se procedió a rotaevaporar para determinar cuál es la masa restante

y calcular mediante los algoritmos mostrados anteriormente el porcentaje de extraíbles:

Ilustración 6. Producto del rotaevaporado de la extracción acuosa.

51

Ilustración 7. Producto del rotaevaporado de la extracción etanolica.

Masa resultante de las extracciones acuosa y etanolica:

Tabla 11. Masa de extraíbles.

Balón Mi (g) Mii (g) Mf (g)

Duran 250mL 107,880 108,102 0,222

Lab Scient 250 mL 147,143 148,584 1,441

Corrección de masa en peso seco de la muestra:

𝑂𝐷𝑊𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 =5,02 𝑔 𝑋 91,23%

100= 4,58𝑔

Determinación de % de extraíbles:

% 𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑏𝑙𝑒𝑠 = (108,102 + 148,584) − (107,880𝑔 + 147,143𝑔)

4,58𝑔𝑋100 = 36,310%

52

Según los resultados obtenidos se puede observar un contenido importante de material no

estructural en comparación a lo reportado en otros estudios donde el contenido es 12,20 %

(Buruiana et al., 2014), esto se puede deber a que los métodos de extracción implementados fueron

distintos, para el caso de Bruiana el protocolo implementado era para maderas y no para residuos

de cosecha, se desarrolló una sola extracción con mezcla de solventes por un periodo de tiempo

corto.

La masa de extraíbles corresponde a material orgánico e inorgánico soluble, minerales, restos

de fertilizantes y azucares no estructurales cuantificables.

7.6. Determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble he insoluble

Para la determinación de sólidos estructurales se tomó como muestra inicial la biomasa libre de

extractivos, esta se dejó secar al aire libre por 8 días y posteriormente se determinó contenido de

humedad, este procedimiento se desarrolló mediante metodologías descritas en secciones

anteriores. Tomando como masa inicial alrededor de 1 g de analito, dichos análisis se desarrollaron

por triplicado como sigue:

Tabla 12. Tarado de crisoles (Preparación de analito para determinación % de lignina).

Tarado de crisoles


Crisol 1 17,587 17,567

Crisol 2 14,720 14,684

Crisol 3 12,692 12,657

53

Tabla 13. Determinación de humedad para determinación % de lignina.

Crisoles Mi (g)

Mm

(g)

Mi +Mm

(g) Mi+Mm 105°C (g) Masa pérdida (g) % Humedad

Crisol 1 17,567 0,999 18,566 18,503 0,063 6,306

Crisol 2 14,684 1,000 15,684 15,623 0,061 6,100

Crisol 3 12,657 1,004 13,661 13,598 0,063 6,275

0,062 6,227 Mi: Masa del crisol tarado, Mm: Masa de la muestra.

Luego se tararon crisoles Gosh para desarrollar la determinación de lignina por triplicado:

Tabla 14. Tarado de crisoles Gosh (Determinación de carbohidratos estructurales, lignina soluble he insoluble.)

Tarado de crisoles Gosh


Crisol 1 21,363 15,237

Crisol 2 23,709 16,877

Crisol 3 22,326 15,965

Se pesó en una balanza analítica 300 mg ± 10 mg en un Erlenmeyer de 100 mL, se añadió 3 ±

0,01 mL de H2SO4 al 72% m/m, se agito por aproximadamente un minuto, luego se sometió a

baño María durante 60 ± 5 min a 30°C ± 3°C, en seguida se agregó 84 ± 0,04 mL de H2O

desionizada y se sometió a autoclavado (All-American modelo 25X-1) por 1 hora a 121°C, se

filtró en los crisoles Gosh de forma cuantitativa y se almaceno el sobrenadante en viales de 10 mL

para su posterior análisis, a la fracción sólida se determinó contenido de humedad y cenizas como

sigue, se sometió el sólido a calentamiento en una estufa de convección a una temperatura de

105°C ± 3°C por un mínimo de tiempo de 4 horas, se dejó enfriar en el desecador, se pesó y se

calentaron de nuevo a 105°C ± 3°C por una hora, se repite el procedimiento hasta alcanzar masa

constante, posteriormente se calentamiento en la mufla a 575°C ± 25°C por un tiempo mínimo de

24 ± 6 horas, se dejó enfriar en el desecador, se pesó y se caliento de nuevo a 575°C ± 25°C por

54

una hora, se repitió el procedimiento hasta alcanzar masa constante o determinar que la pérdida de

masa es inferior a ±0,1%.

Recolectados los datos se resuelven los siguientes algoritmos para la determinación de

residuos insolubles en ácido (%AIR) y lignina insoluble en ácido (%AIL).

%𝐴𝐼𝑅 =𝑀𝑎𝑠𝑎𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑎 105°𝐶 − 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 𝐺𝑜𝑠ℎ 𝑡𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑥100

%𝐴𝐼𝐿 =(𝑀𝑎𝑠𝑎𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑎 105°𝐶−𝑀𝑎𝑠𝑎𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 𝐺𝑜𝑠ℎ 𝑡𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜)− (𝑀𝑎𝑠𝑎𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑎 575°𝐶−𝑀𝑎𝑠𝑎𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 𝐺𝑜𝑠ℎ 𝑡𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜)

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑥100

55

Tabla 15. Determinación de % de lignina insoluble.

Crisoles

Mc

(g)

Mm

(g)

Mc+Mm

(g) Mc+Mm 105°C (g) Mc+Mmuestra 573°C (g) %AIR % AIL

Crisol 1 15,237 0,300 15,537 15,292 15,239 18,333 17,667

Crisol 2 16,877 0,301 17,178 16,933 16,879 18,605 17,940

Crisol 3 15,965 0,300 16,265 16,020 15,967 18,333 17,667

18,423 17,758 Mc: Masa del crisol tarado, Mm: Masa de la muestra.

Tabla 16. Desviación estándar % AIR

% AIR


18,333 1 18,333 336,111

0,016 0,128

18,605 1 18,605 346,133

18,333 1 18,333 336,111

Promedio Sumatoria

18,423 1018,355

Tabla 17. Desviación estándar %AIL

% AIL


17,667 1 17,667 312,111

0,017 0,129

17,940 1 17,940 321,851

17,667 1 17,667 312,111

Promedio Sumatoria

17,758 946,073

56

Para la determinación de lignina soluble en ácido (sobrenadante), se implementó

espectrofotometría UV-visible, la lectura se desarrolló a 320 nm, valor recomendado por la NREL

exclusivamente para bagazo de maíz, se menciona también que se recomienda que la absorbancia

se encuentre entre 0,7 y 1,0, de no ser el caso se procede a diluir las muestras, el blanco de reactivo

que se implemento fue agua desionizada (recomendado por NREL).

Tabla 18. Determinación de lignina soluble en ácido por UV-visible.

En este caso se desarrollaron diluciones con un factor de dilución de ½ obteniendo las siguientes

lecturas:

Tabla 19. Determinación de lignina soluble en ácido por UV-visible diluido a ½

57

Para la determinación de lignina soluble en ácido (ASL) se implementa el siguiente algoritmo:

%𝐴𝑆𝐿 =𝑈𝑉𝑎𝑏𝑠 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑥 𝐷𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛

Ɛ 𝑥 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑥 𝑃𝑎𝑠𝑜 ó𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑥 100

𝐷𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 + 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎

Desarrollando el algoritmo se tiene que:

Volumen de la muestra según protocolo 86,73 mL

Paso óptico en cm: 1

Disolución: 2

Ɛ según protocolo 30 L/ g X cm

%𝐴𝑆𝐿𝐶𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 1 =0,7468𝑋0,08673 𝐿𝑋2

30 𝐿 𝑔𝑥𝑐𝑚⁄ 𝑥0,2737 𝑔𝑥 1𝑐𝑚 𝑋100 = 1,58%

%𝐴𝑆𝐿𝐶𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 2 =0,7337𝑋0,08673 𝐿𝑋2

30 𝐿 𝑔𝑥𝑐𝑚⁄ 𝑥0,2737 𝑔𝑥 1𝑐𝑚𝑋100 = 1,55%

%𝐴𝑆𝐿𝐶𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 3 =0,6754𝑋0,08673 𝐿𝑋2

30 𝐿 𝑔𝑥𝑐𝑚⁄ 𝑥0,2737 𝑔𝑥 1𝑐𝑚𝑋100 = 1,43%

58

Tabla 20. Desviación estándar % ASL.

% ASL


1,58 1 1,58 2,49

0,004 0,066

1,55 1 1,55 2,40

1,43 1 1,43 2,04

Promedio Sumatoria

1,52 6,93

Calculo de la cantidad total de lignina sobre una base libre de extractivos:

% 𝐿𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 = %𝐴𝐼𝐿 + % 𝐴𝑆𝐿

% 𝐿𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 = %17,758 + %1,52 = 19,278%

En este caso el contenido de lignina se encuentra cercano a los valores reportados por estudios

que implementaron el mismo residuo de cosecha, 18,49 % (Buruiana et al., 2014), las diferencias

que se observan con respecto a otros estudios podrían ser por la implementación de diferentes

métodos para las determinaciones, características propias de la biomasa en estudio y características

de las condiciones climáticas donde se desarrolló el cultivo.

La determinación de azúcares estructurales se desarrolló mediante su cuantificación por HPLC,

en secciones posteriores se mostrara a detalle cómo se desarrollaron las curvas de calibración,

tiempos de retención de los diferentes estándares (xilosa, galactosa, manosa glucosa, celobiosa y

arabinosa), así como el equipo implementado y las condiciones de operación del mismo, por lo

59

pronto se mostraran los cromatogramas y el contenido de azúcares en g/L por cada 300 mg ± 10

mg de biomasa residual libre de extractivos sometida a hidrólisis ácida.

Para la cuantificación se implementaron dos curvas de calibración, como se explica a

continuación.

Ilustración 8. Cuantificación de azúcares estructurales (Xilosa-Glucosa)

60

Para este caso la cuantificación se desarrolló por medio de una curva de calibración de xilosa,

arabinosa, glucosa y galactosa, el volumen de inyección fue de 20 µL y se implementó un factor

de dilución de 1/5, por lo cual la concentración real corresponde a:

𝑔 𝐿⁄ 𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎 =0,147 𝑔 𝐿⁄

1 5⁄= 0,735𝑔 𝐿⁄

𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =0,320 𝑔 𝐿⁄

1 5⁄= 1,600𝑔 𝐿⁄

Siendo la xilosa el principal componente de la hemicelulosa presente en el tipo de biomasa en

estudio y teniendo en cuenta que el protocolo sugiere que el volumen total del sobrenadante

después de desarrollada la hidrólisis es de 86,73 mL sé tiene que el total de hemicelulosa es:

𝐻𝑒𝑚𝑖𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 0,08673𝐿𝑥0,735𝑔

1𝐿= 0,064𝑔

Tomando en cuenta que la hidrólisis se desarrolló partiendo de una masa en peso seco de

biomasa 0,300 g se tiene que él porcentaje en masa de los azúcares estructurales corresponde a:

% 𝐻𝑒𝑚𝑖𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 0,064𝑔𝑥100%

0,300𝑔= 21,333%

61

Siendo la glucosa el principal componente de la celulosa presente en el tipo de biomasa en

estudio y teniendo en cuenta que el protocolo sugiere que el volumen total del sobrenadante

después de desarrollada la hidrólisis es de 86,73 mL sé tiene que el total de celulosa es:

𝐶𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 0,08673𝐿𝑥1,6𝑔

1𝐿= 0,139𝑔



% 𝐶𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 0,139𝑔𝑥100%

0,300𝑔= 46,333%

Sumando el contenido de xilosa y glucosa (2,335g/L) presente en el sobrenadante y teniendo

en cuenta que el protocolo sugiere que el volumen total del mismo es de 86,73 mL sé tiene que el

total de azúcares en ese volumen es:

𝑎𝑧𝑢𝑐𝑎𝑟𝑒𝑠 = 0,08673𝐿𝑥2,335𝑔

1𝐿= 0,203𝑔



% 𝑎𝑧𝑢𝑐𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙𝑒𝑠 = 0,203𝑥100%

0,300𝑔= 67,666%

62

Ilustración 9. Cuantificación de azúcares estructurales (Manosa)

Para este caso la cuantificación se desarrolló por medio de una curva de calibración de celobiosa

y manosa, el volumen de inyección fue de 100 µL y se implementó un factor de dilución de 1/5.

Como se observa no hay presencia de celobiosa y el tiempo de retención de la manosa está muy

cercano al de la glucosa por ende los resultados arrojados por los cromatogramas no será tomado

en cuenta ya que no arrojan alguna información que sea de utilidad.

63

7.7. Determinación de poder calórico

La determinación del poder calórico se desarrolló con un calorímetro IKA C2000, en este caso se

pesó un aproximado de biomasa de 1 g y se prenso por medio de un aditamento propio del equipo:

Ilustración 10. Pensado de la muestra para determinación de poder calórico.

Como resultado se obtiene una capsula de biomasa, se pesa en una balanza analítica, se añade

al recipiente de cuarzo, el cual se inserta en el reactor de combustión:

Ilustración 11. Reactor de combustión.

64

Se inserta el reactor de combustión al equipo para proseguir con el análisis:

Ilustración 12. Calorímetro IKA C2000.

El equipo se programó en modo isoperibólico, se insertaron las variables relevantes, en este caso

la masa exacta del analito (0,99518 g) y se procedido a correr el programa, de este modo se

determinó que el poder calórico del bagazo de caña de maíz corresponde a 16750 J/g.

65

Capítulo 3. Terminación de las condiciones experimentales y desarrollo de los

pretratamientos

7.8. Condiciones experimentales de los pretratamientos

Para el desarrollo de la metodología de los pretratamientos, se implementó la herramienta de

asistente de diseño de experimentos del software STATGRAPHICS Centurion (XVI.I), en este

caso, la variable respuesta se definió como la concentración total de azúcares extraíbles en mg/mL

después de realizados los pretratamientos, hidrólisis y posterior cuantificación por HPLC, así como

la concentración en mg/mL de cada una de las azúcares que posiblemente están presentes en la

biomasa (D-celobiosa, D (+) glucosa, D (+) xilosa, D (+) galactosa, L (+) arabinosa y D (+)

manosa).

Para el caso particular, los factores controlables fueron definidos como temperatura (°C) a la

cual se desarrolla el ensayo, Tiempo (min) de duración de la irradiación y concentración de la

base (%m/v), en este caso no se tuvieron encuentra variables como presión y potencia, ya que

estas no son controlables debido a la naturaleza del equipo implementado para las irradiaciones.

A modo de generalidad, todos los ensayos, tanto del pretratamiento alcalino como del

hidrotérmico, se desarrollaron a una concentración de biomasa del 10% m/v, añadiendo 1 g de

muestra por 10 mL de base o agua (dependiendo del pretratamiento) en un recipiente de 35 mL y

agitación baja, la potencia del equipo se ajustó a 150 W, la cual según el fabricante del equipo, es

la adecuada para el solvente implementado (agua), a excepción de puntos críticos donde fue

necesario llevar la potencia a 180 y 200 w.

Los valores máximos y mínimos de las variables ya mencionadas fueron determinados mediante

revisión bibliográfica exhaustiva para asegurar la pertinencia de dichos valores, los artículos

consultados en su mayoría corresponden a los encontrados en la base de datos ScienceDirect y

editorial Springer entre otras.

66

Como resultado de la revisión bibliográfica, los valores máximos y mínimos son: 120 a 210°C

para temperatura, 2 a 8 % m/v para concentración y 6 a 22 min para tiempo de irradiación.

Ingresando las variables y los valores anteriormente mencionados al asistente de diseño de

experimentos del software STATGRAPHICS Centurion (XVI.I) e implementando un diseño

central compuesto 2^2 + estrella se obtiene las siguientes condiciones experimentales:

Tabla 21. Condiciones experimentales del pretratamiento alcalino asistido por microondas.

Ensayo T°C [OH] min

1 120 2 6

2 165 5 0,545657

3 165 5 27,4543

4 240,681 5 14

5 165 5 14

6 210 2 22

7 165 0 14

8 210 8 6

9 120 8 22

10 165 5 14

11 210 2 6

12 210 8 22

13 165 10,0454 14

14 89,3193 5 14

15 120 8 6

16 120 2 22

Algunas de las condiciones experimentales que se muestran en la tabla anterior no corresponden

a los máximos y mínimos descritos anteriormente ya que el software implementa lo que él

denomina puntos estrella, que corresponden a dos valores fuera de los rangos para cada variable,

para hacer del modelo matemático predictivo mucho más robusto.

Posterior al desarrollo de los pretratamientos, se filtró al vacío, se almaceno el sobrenadante en

un vial de 10 mL y se lavó el sólido con agua destilada hasta clarificar por completo, la fracción

67

de biomasa restante fue puesta en una estufa a 40°C por 12 horas para luego almacenarla en un

vial de 10 mL y en el desecador por 15 días, siguiendo control de la masa hasta que esta fuese

constante.

Las concentraciones que se implementaron para el desarrollo del pretratamiento alcalino

asistido por microondas fueron determinadas por el asistente de diseño de experimentos del

software por medio de los valores máximo y mínimos seleccionados, las concentraciones

implementadas fueron:

Tabla 22. Concentraciones implementadas en el pretratamiento alcalino.

Base implementada Concentración % m/v

NaOH

2

5

8

10,0456

La base que se implementó para el desarrollo de los ensayos fue hidróxido de sodio grado

analítico Merck, las soluciones se estandarizaron por método indirecto con ftalato ácido de potasio.

Se pesó en la balanza analítica en promedio 0,411 g de ftalato ácido de potasio sobre un

Erlenmeyer de 100 mL y se le añadió 25 mL de agua destilada, las solución de base fue preparada

pesando en la balanza analítica en promedio 19,996 g de hidróxido de sodio, se disolvió en 50 mL

de agua destilada en un vaso de precipitado, por medio de un embudo de caña larga se vertió en

un balón aforado de 200 mL, se realizaron 3 lavados tanto al vaso de precipitado como al embudo,

los lavados fueron transferidos al balón y luego se procedió a aforar.

Se agregó al patrón primario (25 mL de ftalato ácido de potasio) de 2 a 3 gotas de fenolftaleína

y se procedió a valorar con la solución de hidróxido de sodio, la valoración se desarrolló por

68

triplicado. En promedio el volumen implementado para dar punto a la valoración fue de 0,8 mL

de base.

Para la determinación de la concentración exacta de la solución de NaOH se resuelven los

siguientes algoritmos:

𝐹 =𝑁𝐸𝑋𝐴𝐶𝑇𝐴

𝑁𝐴𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎𝑑𝑎=

𝑎 𝑒𝑞 − 𝑔⁄

𝑉𝑥 0,1 1000⁄=

𝑎 𝑒𝑔 − 𝑔⁄

𝑒𝑔 − 𝑔𝑥𝑉𝑥0,1

Donde:

a = g ftalato ácido de potación.

Eq-g = 204,22 g

V = volumen en mL de hidróxido implementado

Normalidad exacta:

𝑁𝑒𝑥𝑎𝑐𝑡𝑎 = 0,1𝑥𝐹

Reemplazando los valores prácticos en los algoritmos se tiene que:

𝐹 =0,411 𝑔 204,22 𝑔⁄

204,22 𝑔𝑥0,8 𝑚𝐿𝑥0,1= 25,156

Normalidad exacta:

𝑁𝑒𝑥𝑎𝑐𝑡𝑎 = 0,1𝑥25,156 = 2,516 𝑁

69

Pasando de normalidad a % m/v, tenemos que 2,5156 N de NaOH = 10,06 % m/v, las soluciones

restantes se estandarizaron por método directo, implementando como estándar la solución de

hidróxido de sodio al 10,06 % m/v, se desarrollaron diluciones de 100 mL como sigue:

Tabla 23. Estandarización de soluciones por método directo.

Concentración de la

dilución (% m/v)

Volumen de Stock

(mL)

Volumen de solvente

(mL)

Volumen final

(mL)

2 20 80 100

5 50 50 100

8 80 20 100

Dentro del desarrollo de los pretratamientos alcalinos se efectuaron réplicas de los ensayos 4,

8, 10, 12 y 13, esto debido a una pérdida de masa importante la cual afectaba el desarrollo de los

procesos de hidrólisis ácida, dicho tema se tratará a fondo en secciones posteriores.

Las condiciones experimentales de los ensayos que corresponden al pretratamiento

hidrotérmico se desarrollaron implementando la metodología ya descrita, para el caso particular,

se omitió la concentración como variable ya que en este caso esta no se requiere, las condiciones

experimentales se muestran a continuación:

Tabla 24. Condiciones experimentales del pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas.

Ensayo T°C min

1 120 6

2 165 0,545657

3 165 27,4543

4 240,681 14

5 165 14

6 210 22

7 210 6

8 120 22

9 89,3193 14

70

En este caso el número de ensayos se redujo a 9 ya que para el particular, se omitió la variable

concentración debido a la naturaleza del ensayo, por ende los 7 ensayos restantes no eran

necesarios debido a que eran replicas, se procedió de esta forma para asegurar que los resultados

de ambos pretratamientos se pudieran comparar punto a punto.

71

7.9. Desarrollo del pretratamiento alcalino

En la sección de anexos 11.1. se muestra a detalle como transcurrieron los ensayos y bajo qué condiciones.

7.9.1. Secado a peso constante (pretratamiento alcalino)

El protocolo de secado se desarrolló como se mencionó en secciones anteriores, las casillas en azul fueron los ensayos que se

replicaron ya que la masa resultante no era suficiente para el desarrollo de las hidrólisis.

Tabla 25. Seguimiento de secado (Pretratamiento alcalino).

Ensayo Mmi

(g)

Mpi (g) Mmi+Mpi

(g)

Mpii (30°C)

(g)

Mmii (g) Mbi (g) Mbii

(g)

Mmiii

(g)

8 Días 12 Días 15 Días

1 1,003 1,085 2,088 1,533 0,448 8,767 9,120 0,353 9,107 9,107 9,107

2 1,003 1,224 2,227 1,622 0,398 8,591 8,932 0,341 8,920 8,920 8,920

3 1,004 1,053 2,057 1,519 0,466 8,664 9,009 0,345 8,995 8,995 8,996

4 1,001 1,054 2,055 1,333 0,279 8,836 9,023 0,187 9,014 9,015 9,015

5 1,003 1,070 2,073 1,469 0,399 8,655 8,980 0,325 8,970 8,970 8,970

6 1,001 1,065 2,066 1,542 0,477 8,465 8,844 0,379 8,831 8,831 8,831

7 1,000 1,056 2,056 1,720 0,664 8,796 9,422 0,626 9,403 9,403 9,403

8 1,003 1,032 2,035 1,410 0,378 8,633 8,896 0,263 8,885 8,885 8,885

9 1,002 1,049 2,051 1,475 0,426 8,766 9,100 0,334 9,086 9,087 9,086

10 1,003 1,084 2,087 1,473 0,389 8,112 8,425 0,313 8,412 8,413 8,413

11 1,006 1,074 2,080 1,502 0,428 8,485 8,851 0,366 8,838 8,839 8,839

12 1,004 1,074 2,078 1,433 0,359 8,612 8,861 0,249 8,853 8,853 8,853

13 1,007 1,057 2,064 1,432 0,375 8,554 8,835 0,281 8,826 8,827 8,826

14 1,002 1,065 2,067 1,530 0,465 8,385 8,777 0,392 8,760 8,761 8,760

15 1,004 1,061 2,065 1,486 0,425 8,591 8,936 0,345 8,922 8,921 8,922

16 1,002 1,073 2,075 1,555 0,482 8,508 8,935 0,427 8,918 8,919 8,919

Mmi (g): Masa inicial de la muestra, Mpi: Masa de papel filtro, Mpii (30°C) (g): Masa de muestra + papel filtro deshidratada, Mmii (g): Masa de la muestra

deshidratada, Mbi (g): Masa de vial vacío, Mbii (g): Masa del vial + la muestra, Mmiii (g): Masa resultante de la muestra.

72

7.9.2. Réplicas del pretratamiento alcalino


7.9.3. Secado a peso constante (replicas pretratamiento alcalino)

Las réplicas se desarrollaron de igual forma como se desarrollaron los primeros ensayos para asegurar que estos ocurrieran bajo las

mismas condiciones que los primeros.

Tabla 26. Seguimiento de secado (Réplicas de pretratamiento alcalino).

Ensayo Mmi

(g)

Mpi (g) Mmi+Mpi

(g)

Mpii (30°C)

(g)


(g)

Mmiii

(g)


4 1,001 1,037 2,038 1,377 0,340 8,682 8,952 0,270 8,947 8,941 8,941

8 1,002 1,069 2,071 1,481 0,412 8,549 8,824 0,275 8,818 8,817 8,818

10 1,007 1,065 2,072 1,471 0,406 8,709 9,037 0,328 9,028 9,024 9,024

12 1,002 1,064 2,066 1,433 0,369 8,544 8,814 0,270 8,808 8,806 8,805

13 1,000 1,059 2,059 1,441 0,382 8,501 8,776 0,275 8,767 8,765 8,765 Mmi (g): Masa inicial de la muestra, Mpi: Masa de papel filtro, Mpii (30°C) (g): Masa de muestra + papel filtro deshidratada, Mmii (g): Masa de la muestra


73

7.9.4. Desarrollo del pretratamiento hidrotérmico


7.9.5. Secado a peso constante (pretratamiento hidrotérmico)

El protocolo de secado se desarrolló como se mencionó en secciones anteriores.

Tabla 27. Seguimiento de secado (Pretratamiento hidrotérmico).

Ensayo Mmi

(g)

Mpi (g) Mmi+Mpi

(g)

Mpii (30°C)

(g)


(g)

Mmiii

(g)


1 1,000 1,040 2,040 1,813 0,773 8,697 9,436 0,739 9,409 9,409 9,409

2 1,000 1,060 2,060 1,816 0,756 9,043 9,783 0,740 9,766 9,754 7,755

3 1,002 1,060 2,062 1,803 0,743 8,713 9,428 0,715 9,411 9,397 9,397

4 1,000 1,080 2,080 1,572 0,492 8,560 9,034 0,474 9,032 9,022 9,022

5 1,000 1,080 2,080 1,836 0,756 8,467 9,196 0,729 9,170 9,170 9,17

6 1,007 1,060 2,067 1,673 0,613 8,588 9,144 0,556 9,135 9,127 9,127

7 1,002 1,082 2,084 1,722 0,640 8,552 9,122 0,570 9,109 9,103 9,103

8 1,002 1,058 2,060 1,845 0,787 8,611 9,353 0,742 9,322 9,322 9,322

9 1,002 1,080 2,082 1,857 0,777 8,337 9,062 0,725 9,044 9,032 9,032 Mmi (g): Masa inicial de la muestra, Mpi: Masa de papel filtro, Mpii (30°C) (g): Masa de muestra + papel filtro deshidratada, Mmii (g): Masa de la muestra


74

7.9.6. Hidrólisis ácida (pretratamiento alcalino)

Para el desarrollo de las hidrólisis, posteriores a los pretratamientos, es necesario contar con un

aproximado de 300 mg ± 10 mg de biomasa en peso seco, por lo cual la biomasa se deshidrato a

40°C por 12 horas y se almaceno por 15 días en el desecador, manteniendo registro de la masa

para asegurar peso seco.

En un Erlenmeyer de 100 mL, a los 300 mg ± 10 mg se le añadió 3 ± 0,01 mL de H2SO4 al

72% m/m, se agito por aproximadamente un minuto, luego se sometió a baño María durante 60 ±

5 min a 30°C ± 3°C, en seguida se agregó 84 ± 0,04 mL H2O desionizada y se sometió a

autoclavado (All-American modelo 25X-1) por 1 hora a 121°C, se filtró y se guardó el

sobrenadante en viales de 2 y 10 mL bajo congelación para su posterior análisis, se procedió de la

misma forma en las hidrólisis de ambos pretratamientos.

Las masas sometidas a hidrólisis en cada uno de los ensayos fueron las siguientes:

Tabla 28. Masas tomadas para el desarrollo de la hidrólisis ácida (Pretratamiento alcalino).

Ensayo Mmi (g)

1 0,300

2 0,304

3 0,299

4 0,301

5 0,303

6 0,300

7 0,300

8 0,300

9 0,302

10 0,299

11 0,301

12 0,299

13 0,299

14 0,302

15 0,300

16 0,301

75

Los ensayos 4, 8, 10, 12 y 13 fueron replicados ya que las masas resultantes no fueron

suficientes para realizar las respectivas hidrólisis, las réplicas se desarrollaron de forma exacta a

los ensayos originales para asegurar que los resultados no se vieran afectados.

Ilustración 13. Proceso de autoclavado.

Después de realizadas las hidrólisis se observan grandes diferencias entre cada ensayo, entre

ellas coloración y cantidad de biomasa residual.

76

7.9.7. Hidrólisis ácida (pretratamiento hidrotérmico)

Las hidrólisis de los pretratamientos hidrotérmicos se desarrollaron como se mencionó en

secciones anteriores, las masas sometidas a hidrólisis en cada uno de los ensayos fueron las

siguientes:

Tabla 29. Masas tomadas para el desarrollo de la hidrólisis ácida (Pretratamiento hidrotérmico).

Ensayo Mmi (g)

1 0,300

2 0,300

3 0,299

4 0,301

5 0,299

6 0,298

7 0,299

8 0,301

9 0,301

En este caso las características físicas de los hidrolizados son prácticamente iguales tanto en

color como en la cantidad de biomasa residual restante.

Ilustración 14. Hidrólisis de pretratamientos hidrotérmicos.

77

Capítulo 4. Cuantificación de azúcares extraíbles por cromatografía de alta eficiencia

7.9.8. Cuantificación de hidrolizados por HPLC

La cuantificación de los hidrolizados de los pretratamientos se desarrolló en un laboratorio

externo y con recursos propios, por lo cual se corrieron 2 muestras por pretratamiento dado que el

costo por muestra era alto.

El equipo en el cual se desarrolló el análisis se denomina sistema cromatografico Shimadzu

prominence el cual cuenta con un detector RID-10 A (índice de refracción), la columna

implementada fue una SZ-5535 Shodex, las condiciones de trabajo para la cuantificación fueron

las siguientes: fase móvil acetonitrilo/agua (80:20), caudal 0,8 mL/min, temperatura de columna

65°C, tiempo por corrida 15 min y volumen de inyección 20 µL.

Ilustración 15. Sistema cromatográfico Shimadzu prominence.

78

Para la cuantificación se desarrollaron dos curvas de calibración, la primera de xilosa, glucosa,

arabinosa y galactosa, la segunda de celobiosa y manosa, se procedió de esta manera ya que la

primera es de uso habitual en el laboratorio, mientras que la segunda no, a continuación se

muestran los rangos de concentración para el desarrollo de las mismas.

Tabla 30. Estándares y concentraciones de las curvas de calibración para la cuantificación por HPLC.

Azúcares Concentración g/L

Celobiosa 0.016-0.330

Glucosa

0.100-2.000

Xilosa

Galactosa

Arabinosa

Manosa

Los rangos de concentración para la celobiosa variaron debido a su solubilidad en la fase móvil;

se establecieron 6 puntos dentro de los rangos mencionados y se corrieron por triplicado a las

condiciones descritas anteriormente dando como resultados los siguientes tiempos de retención:

Tabla 31. Tiempos de retención de los estándares.

Estándar Tiempo de retención (min)

Xilosa 6,367

Arabinosa 7,097

Glucosa 8,495

Manosa 8,515

Galactosa 9,236

Celobiosa 13,632

En la sección 11.4. y 11.5. se muestra a detalle los cromatogramas con los tiempos de retención

de los estándares y las curvas de calibración de los mismos.

Las muestras seleccionadas para la cuantificación de azúcares corresponden a los ensayos 4 y

14 para el pretratamiento alcalino y 4 y 9 para el pretratamiento hidrotérmico, estos fueron los

79

puntos de elección ya que son los que pueden mostrar el comportamiento general de cada

pretratamiento, además de esto los puntos son equiparables entre pretratamiento y pretratamiento

ya que los ensayos mencionados se desarrollan bajo las mismas condiciones. A todas las muestras

se le aplico un factor de dilución de 1/5 siendo el volumen de inyección 20 µL para la

cuantificación por la curva de calibración 1.

A continuación se presenta la cuantificación para el pretratamiento alcalino

Ilustración 16. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-5%m/v-14min).

𝑔 𝐿⁄ 𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎 =0,077𝑔 𝐿⁄

1 5⁄= 0,385𝑔 𝐿⁄ 𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =

0,466𝑔 𝐿⁄

1 5⁄= 2,330𝑔 𝐿⁄

80

Ilustración 17. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min)


1 5⁄= 0,095𝑔 𝐿⁄ 𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =

0,628𝑔 𝐿⁄

1 5⁄= 3,14𝑔 𝐿⁄

81

A continuación se presenta la cuantificación para el pretratamiento hidrotérmico

Ilustración 18. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-14min)


1 5⁄= 0,62𝑔 𝐿⁄ 𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =

0,292𝑔 𝐿⁄

1 5⁄= 1,46𝑔 𝐿⁄

82

Ilustración 19. Cuantificación xilosa-glucosa. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-14min)


1 5⁄= 0,24𝑔 𝐿⁄ 𝑔 𝐿⁄ 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 =

0,410𝑔 𝐿⁄

1 5⁄= 2,05𝑔 𝐿⁄

Como se mención en secciones anteriores, la cuantificación de celobiosa y manosa por medio

de la curva de calibración 2 no arroja datos de mayor relevancia ya que en las muestras no hay

83

presencia de celobiosa y los tiempos de retención de la glucosa y la manosa son muy cercanos, sin

embargo en la sección 11.6. se muestran los cromatogramas.

8. Análisis de resultados

Tabla 32. Resumen de resultados de caracterización de la biomasa.

Parámetro Resultado (Buruiana et al.,

2014)

(Dinuccio, Balsari,

Gioelli, & Menardo,

2010)

Humedad 8,80 % - -

Sólidos totales 91,20 % - 81,8 %

Cenizas 4,89 % 5,00 % -

Sólidos orgánicos 95,10 % - -

Análisis orgánico

elemental N: 0% 4,25 % 1,29 %

Extractivos 36,310% 12,20 % -

Lignina insoluble en

ácido 17,75 % - -

Lignina soluble en ácido 1,52 % - 2, 33 %

Lignina libre de

extractivos 19,27 % 18,49 % -

Hemicelulosa 21,33 % - 30,2 %

Celulosa 46,33 % - 12,4 %

Carbohidratos

estructurales 67,66 % 51,18 % 42,6

Poder calórico 16750 J/g - -

Dentro de los factores que limitan el acceso a la hemicelulosa y celulosa disponible, se

encuentra la cristalinidad, el grado de polimerización, contenido de lignina, superficie de contacto

disponible y tamaño de partícula, por esto antes de cualquier análisis composicional se procedió

al respectivo secado y fresado del material vegetal, obteniendo así un analito homogéneo, con una

cristalinidad y grado de polimerización mucho menor que el que presenta la biomasa residual en

bruto, además de esto se aumenta la superficie de contacto, por esto, el fresado es crucial antes

realizar análisis posteriores.

84

Después de preparada la muestra se determinó humedad y sólidos totales, dando como resultado

8,8 % y 91,2 % respectivamente, lo cual indica que la biomasa cuenta con un contenido de sólidos

totales alto comparado con ostros autores reportan un contenido de sólidos totales de 81,8 %

(Dinuccio, Balsari, Gioelli, & Menardo, 2010b); resulta beneficioso, ya que esto se traducen en

cantidades considerables de azúcares estructurales y no estructurales, que pueden llegar a ser

extraídas para diferentes fines. Con respecto al contenido de humedad este también es significante

ya que por medio de esta determinación se desarrollaron los análisis composicionales

implementado biomasa en peso seco, evitando así posibles errores.

El contenido de cenizas y sólidos orgánicos fueron 4,89 % y 95,10 % respectivamente, la

primera variable presenta valores similares a los reportados por Buruin et al., 2014, el cual reporta

5,00 %, está determinación indica el contenido de sólidos inorgánicos y material mineral de

carácter estructural y no estructural, la segunda variable indica el porcentaje que corresponde a

material orgánico disponible en una fracción de masa en peso seco de la biomasa, al ser un valor

alto se puede deducir que la biomasa cuenta con un contenido importante de azúcares extraíbles

(Sluiter, Hames, Ruiz, Scarlata, et al., 2008).

El análisis orgánico elemental se desarrolló con el fin de determinar el posible contenido de

proteínas de la biomasa seleccionada, esto se logra multiplicando el porcentaje de N por el factor

de nitrógeno específico para el residuo de maíz (0,46) (Hames, Scarlata, & Nrel, 2008), en este

caso el análisis indica que no hay presencia de proteína, por el contrario, algunos estudios reportan

4,25 % de nitrógeno (Buruiana et al., 2014), mientras que otros 1,29 % (Dinuccio et al., 2010b),

en este caso se puede llegar a pensar en posibles errores instrumentales.

El contenido de extraíbles indica la cantidad de sólidos no estructurales presentes en la biomasa,

los cuales pueden ser de carácter orgánico e inorgánico, contemplando impurezas como suelo,

85

fertilizantes, ceras, clorofila y azúcares cuantificables (A. Sluiter, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter

& Templeton, 2008). Además de esto, se desarrolló este análisis para evitar errores en la

determinación de lignina y azúcares estructurales, para el caso, el contenido de extraíbles fue de

36,310 %, este valor es alto comparado con lo reportado por Buruin et al., 2014 (12,20 %), lo que

indica que la biomasa analizada cuenta con una fracción importante de sólidos no estructurales.

La determinación de sólidos estructurales se desarrolló en una biomasa libre de extractivos y

en peso seco para evitar posibles errores, este análisis muestra cual es el contenido de azúcares y

lignina libre de extractivos, en este caso el porcentaje de azúcares corresponde a celulosa y

hemicelulosa disponible en la biomasa, para el caso 67,666%, estudios similares reportan sólidos

estructurales de 51,18 % y 42,6 % (Buruiana et al., 2014) (Dinuccio et al., 2010b), se observa

entonces que la biomasa analizada cuenta con niveles altos de azúcares que se pueden llegar a

extraer, la fracción que corresponde a lignina libre de extractivos es de 19,278 %, valor cercano a

lo reportado por otros autores 18,49 % (Buruiana et al., 2014).

Según reportes del atlas del potencial energético de la biomasa residual en Colombia (Escalante

et al., 2011), anualmente se producen más de 1’278.642 toneladas al año de rastrojo de maíz, si se

toma en cuenta que la determinación del poder calórico dio como resultado 16.750 kJ/kg, se estima

que en Colombia se dejan de utilizar 21.417,2535 TJ/año, producto de los residuos de cosecha del

maíz.

Tabla 33. Resumen de resultados de cuantificación de azúcares por pretratamiento.

Ensayo [%m/v]* Tiempo min Temperatura °C Alcalino g/L Hidrotérmico g/L

A14-H9 5 14 89 2,715 2,08

A4-H4 5 14 240 3,235 2,29 *La variable concentración solo aplica para el pretratamiento alcalino.

86

Los puntos que se seleccionaron para la cuantificación y comparación en cuanto a la cantidad

de hidrolizables extraíbles por pretratamiento corresponden a los ensayos A14 y A4 para el

alcalino, mientras que para el pretratamiento hidrotérmico, H9 y H4. Fueron seleccionados estos

ensayos, ya que son los puntos críticos de ambos pretratamientos, donde se observa como es el

comportamiento general de cada uno de ellos, teniendo en cuenta que la solubilización del material

lignocelulósico inicia en rangos entre 150°C y 180°C (Bobleter, 1994; Garrote, Dominguez, &

Parajó, 1999), mientras que a temperaturas superiores de 250°C (Brownell, Yu, & Saddler, 1986)

se da inicio a proceso de pirolisis. La comparación entre pretratamientos se puede realizar punto

por punto ya que los ensayos se realizan bajo las mismas condiciones de tiempo y temperatura,

salvo la variable concentración ya que esta solo aplica para el pretratamiento químico.

Los resultados muestra que existe una relación directa entre el aumento de temperatura y la

cantidad de azúcares cuantificables en ambos pretratamientos, esto se debe a que la solubilidad de

celulosa y hemicelulosa es directamente proporcional al aumento de temperatura, para el

pretratamiento hidrotérmico se tiene un aumento del 10,096 % cuando se pasa de 89 °C a 240 °C,

mientras que, para el pretratamiento alcalino se observa un aumento del 19,096 % al pasar de 89

°C a 240 °C, se muestra entonces que el pretratamiento alcalino cuenta con un 9,056 % más de

efectividad que el pretratamiento hidrotérmico.

Comparando los resultados obtenidos en ambos pretratamientos, para los ensayos que se

desarrollaron a 89 °C se observa que el pretratamiento alcalino es más efectivo, ya que la

cuantificación de azucares muestra que este produjo un 30,538% más de azucares que el

pretratamiento hidrotérmico, en el caso de los ensayos desarrollados a 240 °C se observa que el

pretratamiento alcalino es más efectivo, ya que la cuantificación de azucares muestra que este

produjo un 41,266% más de azucares que el pretratamiento hidrotérmico, sumando los resultados

87

obtenidos en el pretratamiento hidrotérmico y los resultados obtenidos en el pretratamiento

alcalino en los ensayos desarrollados a 89°C y 240°C, se muestra que el pretratamiento alcalino es

más efectivo, ya que la cuantificación de azucares muestra que este produjo un 36,155% más de

azucares que el pretratamiento hidrotérmico, esto se debe a que la lignina al no ser soluble en las

bases se separa de mejor forma del resto de componentes estructurales, dando como resultado un

mejor acceso a la celulosa y hemicelulosa (Sindhu et al., 2015).

Como se mostró en los párrafos anteriores, los resultados de la caracterización de la biomasa

seleccionada para el estudio, muestran que los residuos cuentan con las características adecuadas

para su implementación como precursores de diferentes derivados, ya sea en la sucroquímica o en

la producción de biocombustibles, además de esto se evidencia que el pretratamiento alcalino es

más efectivo que el pretratamiento hidrotérmico.

Por último, se hace la claridad, pese a que en el diseño experimental se plantea la elaboración

de superficies de respuesta y análisis ANOVA, estos no se desarrollaron ya que la cuantificación

de azúcares extraíbles se dio por medio de un laboratorio privado y con fondos personales, por lo

tanto el costo de los análisis solo permitió la cuantificación de dos muestras por pretratamiento,

las cuales son insuficientes para el desarrollo de las superficies de respuesta y el ANOVA.

88

9. Conclusiones

i. Las biomasa residuales denominada RAC y RAI provenientes de la siembra de maíz se

pueden implementar como precursores de productos de interés ya sea económico o energético

como biodiesel, etanol, metano, derivados de furfural, hidrogeno o su implementación en la

sucroquímica donde se pueden obtener ácido oxálico, ácido acético, ácido L-glutámico, uretanos

entre otros, implementando métodos adecuados para potencializar la extracción de los azúcares

estructurales en la biomasa, se llega a esta conclusión gracias a los resultados arrojados por el

análisis composicional, el cual muestra bajo contenido de humedad, cenizas y un alto contenido

de azúcares estructurales.

ii. El pretratamiento alcalino asistido con microondas presentan mayor efectividad que el

pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas a la hora de acceder a los azúcares

estructurales de biomasa residual, ya que las bases, no solubilizan la fracción que corresponde a

lignina, la cual es uno de los interferentes determinantes a la hora de acceder a los componentes

de carácter estructural de la biomasa, mientras que los pretratamientos hidrotérmicos, no presentan

dicha capacidad ya que la respuesta de la biomasa frente a estos, es liberar los componentes no

estructurales tales como, residuos de fertilizantes, sales minerales, contaminantes propios del sitio

de muestro, y azúcares disponibles (sacarosa).

iii. El aumento de temperatura es directamente proporcional al acceso de celulosa y

hemicelulosa, ya que estas son hidrosolubles a altas temperaturas, sin embargo, se recomiendo no

sobrepasar los 240°C, ya que por encima de este punto comienzan a darse procesos de pirolisis, lo

cual daría como resultado, pérdida del material estructural de interés en la biomasa.

iii. La implementación de pretratamientos hidrotérmicos asistidos con microondas resultan más

efectivos que los pretratamientos desarrollados por medio de calentamiento convencional, ya que

89

los primeros, al generar vibraciones entre las moléculas dan como resultado fuerzas de fricción

entre las mismas, lo que hace que el calentamiento sea focalizado y homogéneo, mientras que en

los segundos, el calentamiento no es focalizado y se pueden observar puntos fríos y puntos caliente,

por ende los tiempos de pretratamiento implementado microondas son mucho más cortos con

respecto a los tiempos de pretratamiento desarrollados por calentamiento tradicional.

iv. El desarrollo de metodologías combinadas da como resultado, técnicas más efectivas en

cuanto a la extracción de sólidos estructurales de biomasa residual de gran valor tanto energético

como comercial, esto, producto del sinergismo dado por la combinación de los efectos positivos,

en este caso particular, efectos positivos del pretratamiento hidrotérmico asistido con microondas

y efectos del pretratamiento químico implementando hidróxido de sodio.

v. El modelamiento y diseño de experimentos implantando aplicaciones estadísticas, permite

una reducción importante en cuanto al número de experimentos requeridos, dando como resultados

modelos de predicción robustos desarrollados a bajo costo, permitiendo optimizar actividades de

investigación que requieren de grandes recursos.

90

10. Proyecciones

Se podrían implementar modelos estadísticos más robustos que den como resultados un número

mayor de ensayos por pretratamiento para que el modelo de predicción se acerque de mejor forma

a los datos experimentales, además de esto, se podrían implementar en los pretratamientos

diferentes bases para poder comparar cual es la más adecuada a la hora de hacer más exequibles

los azúcares estructurales de la biomasa, teniendo en cuenta variables como beneficio-costo.

91

11. Anexos

11.1. Desarrollo de los pretratamientos alcalinos asistidos por microondas.

Ilustración 20. Ensayo 1: Pretratamiento alcalino (120°C-2%m/v-6min)

Ilustración 21. Ensayo 1 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por

12 horas.

92

Ilustración 22. Ensayo 2: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-34s)

Ilustración 23. Ensayo 2 (PA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por 12

horas.

93

Ilustración 24. Ensayo 3: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-27,45)


horas.

94



horas.

95



horas.

96

Ilustración 30. Ensayo 6: Pretratamiento alcalino (210°C-2%m/v-22)


horas.

97



horas.

98



horas.

99



horas.

100

Ilustración 38. Ensayo 10: Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14)


12 horas.

101



12 horas.

102



12 horas.

103



12 horas.

104



12 horas.

105



12 horas.

106



12 horas.

107

11.2. Desarrollo de las réplicas del pretratamiento alcalino asistido por microondas.

Ilustración 52. Ensayo 4 (Replica): Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min)

Ilustración 53. Ensayo 4 (RPA): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por

12 horas.

108



12 horas.

109

Ilustración 56. Ensayo 10 (Replica): Pretratamiento alcalino (165°C-5%m/v-14)


12 horas.

110



12 horas.

111



12 horas.

112

11.3. Desarrollo del pretratamiento hidrotérmico asistido por microondas

Ilustración 62. Ensayo 1: Pretratamiento hidrotérmico (120°C-6min).

Ilustración 63. Ensayo 1 (PH): De izquierda a derecha solido filtrado, sobrenadante y residuo secado a 40°C por

12 horas.

113

Ilustración 64. Ensayo 2: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-34s).


12 horas.

114

Ilustración 66. Ensayo 3: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-27,45min)


12 horas.

115

Ilustración 68. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-14min).


12 horas.

116

Ilustración 70. Ensayo 5: Pretratamiento hidrotérmico (165°C-14min)


12 horas.

117



12 horas.

118



12 horas.

119



12 horas.

120



12 horas.

121

11.4. Tiempos de retención de los estándares de azúcares.

Ilustración 80. Tiempos de retención de xilosa, arabinosa, glucosa y galactosa.

122

Ilustración 81. Tiempo de retención de manosa.

.

123

Ilustración 82. Tiempo de retención de celobiosa.

124

11.5. Curvas de calibración de los estándares azúcares.

Ilustración 83. Curva de calibración xilosa.

125

Ilustración 84. Curva de calibración arabinosa.

126

Ilustración 85. Curva de calibración glucosa.

127

Ilustración 86. Curva de calibración galactosa.

128

Ilustración 87. Curva de calibración celobiosa.

129

Ilustración 88. Curva de calibración manosa.

130

11.6. Cromatogramas de la cuantificación de celobiosa y manos

Ilustración 89. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 14: Pretratamiento alcalino (89°C-5%m/v-14min).

Ilustración 90. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 4: Pretratamiento alcalino (240°C-5%m/v-14min).

131

Ilustración 91. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 9: Pretratamiento hidrotérmico (89°C-14min).

Ilustración 92. Cuantificación celobiosa-manosa. Ensayo 4: Pretratamiento hidrotérmico (240°C-14min).

132

12. Bibliografía

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