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OBTENCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE RENUEVOS DE GUADUA (angustifolia Kunth) MARIA ALEJANDRA RESTREPO UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍA ESCUELA DE QUÍMICA PEREIRA 2007
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OBTENCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE RENUEVOS DE GUADUA (angustifolia Kunth)
MARIA ALEJANDRA RESTREPO
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍA
ESCUELA DE QUÍMICA PEREIRA
2007
OBTENCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE RENUEVOS DE GUADUA (angustifolia kunth)
MARIA ALEJANDRA RESTREPO
Trabajo de grado para optar el titulo de Tecnólogo Químico
Director Melvin Aroldo Duran Rincón
Ingeniero Quimico M. Sc.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍAS
ESCUELA DE QUÍMICA PEREIRA
2007
NOTA DE ACEPTACIÓN DEL TRABAJO DE GRADO
OBTENCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE RENUEVOS DE GUADUA (angustifolia kunth)
Presentado por: Maria Alejandra Restrepo Los suscritos directores y jurados del presente trabajo de grado, una vez revisada la versión escrita y presenciado la sustentación oral, decidimos otorgar la nota de: Con la connotación: Para constancia firmamos en la Ciudad de Pereira hoy Director: Nombre: Melvin Aroldo Duran Jurado: Nombre: Luz Angela Veloza Jurado: Nombre: Hoover Alveiro Valencia
DEDICATORIA
A mi mamá, Luz Stella Carmona por ser el soporte que guía mis pasos y
por la confianza, el amor y la paciencia que siempre me ha tenido.
A mi abuela, Blanca Libia Builes por respaldarme y preocuparse tanto por
mi bienestar.
V
AGRADECIMIENTOS A Dios por ser una luz en el camino.
A mi mama luz Stella Carmona por su respaldo económico y por tolerar cada una
de mis locuras.
A mi familia, por alentarme a cumplir con mis metas y apoyarme en cada paso que
doy.
A mi director, Melvin Duran por darme la oportunidad de ser participe en este
proyecto que me enseño tanto.
A Edward Daniel Ladino, por creer en mí, ayudarme y estar siempre conmigo a
pesar de los problemas y la distancia.
A silvilu, por acompañarme en cada paso que di y sobre todo por ser mi amiga.
A mis amigos, Mao, Diana, Leidy, Rober, Nelson, Hoover, por su amistad
incondicional, su sinceridad, por estar conmigo en los buenos momentos y darme
fuerza en los malos.
VI
TABLA DE CONTENIDO Índice De Tablas…………………………………………………………………..............I
Lista De Figuras……………………………………………………..………..................III
Lista De Graficas…………………………………………………………………… …...IV
Resumen……………………………………………………………………………..........V
Justificación……………………………………………………………………………....VII
1.
Objetivos……………………………………………………………………………...1
1.1 Objetivos Generales………………………………………………………………1
1.2 Objetivos Específicos………………………………………………………….…1
2. Antecedentes……………………………………………………………………..2
2.1 Historia De La Guadua…………………………………………………………...2
2.1.1 Guadua Macana…………………………………………………………………..4
2.1.2 Guadua Cebolla…………………………………………………………………..4
2.1.3 Guadua Castilla…………………………………………………………………..4
2.1.4 Guadua Cotuda…………………………………………………………………...4
2.1.5 Guadua Rayada Negra…………………………………………………………..5
2.1.6 Guadua Angustifolia Var.Bicolor-Rayada Amarilla……………………………5
2.2 Utilidad De La Guadua…………………………………………………………...5
2.3 Hidrólisis De Los Carbohidratos………………………………………………...6
2.3.1 Hidrólisis Ácida……………………………………………………………………7
2.4 Fermentación……………………………………………………………………..7
2.4.1 Historia De La Fermentación……………………………………………………7
2.4.2 Definiciones De La Fermentación………………………………………………9
2.4.3 Fermentación Alcohólica……………………………………………………….11
2.4.4 Mecanismos De La Fermentación Alcohólica………………………………..11
VII
2.4.5 Proceso De Fermentación……………………………………………………...14
2.4.6 Esquema Del Proceso………………………………………………………….15
2.5 Levaduras………………………………………………………………………..15
2.5.1 Características De Las Levaduras…………………………………………….15
2.5.2 Forma Y Estructura De Las Levaduras……………………………………….15
2.5.3 Reproducción De Las Levaduras……………………………………...………16
2.5.4 Características Del Cultivo……………………………………………………..16
2.5.5 Clasificación De Las Levaduras……………………………………………….16
3 Marco De Referencia……………………………………………………………17
3.1 La Especie Guadua angustifolia……………...……………………………….17
3.1.1 Morfología………………………………………………………………………..17
3.1.2 Estados De La Guadua…………………………………………………………21
3.1.3 Composición Química…………………………………………………………..23
4 Procedimiento Experimental…………………………………………………...25
4.1 Selección De Materia Prima……………………………………………………25
4.2 Preparación De La Muestra………………………………………………........25
4.3 Hidrólisis………………………………………………………………………….26
4.3.1 Brix Refractometrito Del Jugo………………………………………………….27
4.3.2 pH Del Jugo……………………………………………………………………...27
4.3.3 Azucares Reductores Totales En Jugo……………………………………….27
4.3.4 Sustancias Reductoras Infermentables En Jugo………………………........27
4.3.5 Azucares Infermentables En Jugo…………………………………………….27
4.3.6 Acides Volátil Como Acido Acético En Jugo……………………………........27
4.3.7 Contenido De Amino Nitrógeno Libre En El Jugo……………………………28
4.4 Fermentación………………………………………………………………........28
4.4.1 Brix Refractometrico Del Mosto Fermentado………………………………...29
4.4.2 pH Del Mosto Fermentado……………………………………………………..29
4.4.3 Volumen De Células Sedimentadas Totales En El Mosto Fermentado…..29
4.4.4 Azucares Residuales En El Mosto Fermentado……………………………..29
VIII
4.4.5 Contenido De Etanol En El Mosto Fermentado Usando Un Densímetro O
Por Densidad…………………………………………………………………….29
4.4.6 Acides Volátil Titulable Del Mosto Fermentado En Términos De Acido
Acético Y Sales De Acetato…………………………………………………….30
4.4.7 Contenido De Amino Nitrógeno Libre En El Mosto Fermentado…………..30
4.5 Evaporación Y Destilación……………………………………………………..30
4.5.1 Gravedad Específica Y Contenido De Etanol En El Alcohol………….……31
4.5.2 Determinación De Sub-Productos En El Alcohol Por Cromatografía De
Gases……………………………………………………………………………..32
4.5.3 Registro Infrarrojo Del Etanol Obtenido En La Fermentación……………...32
5. Resultados Y Discusión………………………………………………………..33
5.1 Descripción De La Muestra…………………………………………………...33
5.2 Tratamiento De Las Muestras 1 A 4……………………………………........33
5.3 Análisis Del Jugo………………………………………………………………33
5.3.1 Análisis Físico De Las Muestras 1-4………….……………………………..33
5.3.2 Análisis Químico De Las Muestras 1-4……….……………………….........34
5.4 Análisis De La Fermentación…………………………………………………39
5.4.1 Análisis Físico de las muestras 1-4……………………………………........39
5.4.2 Análisis Químico de las muestra 1-4………………………………………..40
5.5 Análisis Del Alcohol……………………………………………………………41
5.5.1 Evaporación Y Destilación……………………………………………………41
5.6 Eficiencia Del Proceso………………………………………………………..42
5.6.1 Eficiencia En El Evaporador………………………………………………….43
5.6.2 Eficiencia En La Destilación………………………………………………….43
5.6.3 Eficiencia Total Del Proceso……………………………………………........44
5.7 Tratamiento De Las Muestras 5 A 7…………………………………………44
5.8 Análisis Del Jugo………………………………………………………………45
5.8.1 Análisis Físico De Las Muestras 5-7………………………………………..45
5.8.2 Análisis Químico De Las Muestras 5-7……………………………………..46
5.8.3 Cromatografía En Capa Fina Del Jugo De Renuevo De Guadua………..47
IX
5.9 Análisis De La Fermentación…………………………………………………48
5.9.1 Análisis Físico De Las Muestras 5-7………………………………………...49
5.9.2 Análisis Químico De Las Muestras 5-7……………………………………..50
5.10 Análisis Del Alcohol……………………………………………………………51
5.10.1 Evaporación Y Destilación…………………………………………..………..51
5.10.2 Análisis De La Cromatografía De Gases y espectro infra-rojo...…………52
5.11 Eficiencia Del Proceso………………………………………………………..55
Conclusiones……………………………………………………………………………..57
Recomendaciones……………………………………………………………………….59
Anexos………………………….…………………………………………………………60
Bibliografía………………………………………………………………………………..68
X
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1. Relación de componentes químicos del renuevo de guadua……….22 TABLA 2 Contenido químico de la guadua……………………………………….24 TABLA 3. Características físicas de las muestras 1 a 4...…………………........33 TABLA 4. Resultados del análisis físico de las muestras 1 a 4 en el jugo…….34 TABLA 5. Resultados del análisis químico de las muestras 1 a 4 en el
jugo………………………………………………………………………...39 TABLA 6. Resultados de análisis físico de las muestras 1 a 4 en la Fermentación……………………………………………………………..40 TABLA 7 Resultados del análisis químico de las muestras 1 a 4 en la
fermentación………………………………………………………………41 TABLA 8 Resultados del análisis en la evaporación………………….…………41 TABLA 9 Resultados del análisis en la destilación………………………………42 TABLA 10. Eficiencia del proceso……………………………………………………44 TABLA 11. Características físicas de las muestras 5 a 7…………………………45 TABLA 12 Resultados del análisis físico de las muestras 5 a 7 en el jugo…….46 TABLA 13. Resultados del análisis químico de las muestras 5 a 7 en el jugo………………………………………………………………………..46 TABLA 14 Rf para la muestra 6 en comparación con los patrones de
carbohidratos……………………………………………………………..47 TABLA 15 Rf para la muestra 7 en comparación con los patrones de
carbohidratos……………………………………………………………..48 TABLA 16 Monitoreo de la fermentación para la muestra 6……………………..48 TABLA 17. Monitoreo de la fermentación para la muestra 7……………………..49
XI
TABLA 18. Resultados de análisis físico de las muestras 5 a 7 en la fermentación………………………………………………………………50
TABLA 19. Resultados del análisis químico de las muestras 5 a 7 en la
fermentación………………………………………………………………51 TABLA 20. Resultados del análisis en la evaporación…………………………….51 TABLA 21. Resultados del análisis en la destilación………………..……………..52 TABLA 22. Eficiencia del proceso para las muestras 5 a 7…………………........56
XII
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. GUADUA Angustifolia Kunth……………………………………….……5
FIGURA 2. Mecanismo de la fermentación alcohólica……………………………12
FIGURA 3. Partes del rizoma………………………………………………….…….17
FIGURA 4. Partes del tallo de la Guadua…………………………………………..18
FIGURA 5. Partes de la hoja caulinar…………………………………………........19
FIGURA 6. Distribución de las ramas en el tallo…………………………………..20
FIGURA 7. Laminas foliares……………………………………………………........21
FIGURA 8. Renuevo de Guadua………………………………………………........22
FIGURA 9. Corte y pelado del renuevo…………………………………………….25
FIGURA 10. Limpieza del renuevo……………………………………………………25
FIGURA 11. Picado del renuevo……………………………………………………...26
FIGURA 12. Autoclave…………………………………………………………………26
FIGURA 13. Fermentación…………………………………………………………….28
FIGURA 14. Rota-vaporador…………………………………………………………..30
FIGURA 15. Equipo de destilación……………………………………………………31
FIGURA 16. Cromatografía en capa fina muestra 6………………………………..60
FIGURA 17. Cromatografía en capa fina muestra 7………………………………..61
XIII
LISTA DE GRAFICAS
GRAFICA 1. Cromatografía de gases de la muestra 6 etanol-agua al 26%..........53
GRAFICA 2. Cromatografía de gases de la muestra 7 etanol-agua al 5%............53
GRAFICA 3. Patrón de cromatografía de gases…………………………………….62
GRAFICA 4. Comparación del espectro de patrones de cromatografía de gases
con la muestra 6…………………………………………………………63
GRAFICA 5. Comparación del espectro de patrones de cromatografía de gases
con la muestra 7………………………………………………………….64
GRAFICA 6. Espectro infra-rojo del etanol 3.9% obtenido en la muestra 5………65
GRAFICA 7. Espectro infra-rojo del etanol 5.0% obtenido en la muestra 7………66
GRAFICA 8. Espectro infra-rojo del etanol 26% obtenido en la muestra 6…........67
1
RESUMEN
La Guadua es un recurso renobable muy importante en nuestra región donde la
especie dominante es Guadua angustifolia, la que es comúnmente utilizada
gracias a sus propiedades físico-mecánicas, sin embargo no hay muchos
estudios sobre los compuestos químicos que posee y de que manera estas
pueden ser utilizadas por el hombre.
Debido a la gran cantidad de insectos que la Guadua atrae es de suponer que
esta es rica en azúcar y almidón, además en países como Japón, China,
Malasia, y en general en los países orientales donde se posee bambú, la
primera utilización es como alimento [7]. Lo cual nos motivo para hacer una
investigación sobre la producción de etanol a partir de renuevos de Guadúa.
Para este trabajo se utilizo como materia prima, renuevos de guadua
(angustifolia kunth) de biotipo cebolla proveniente del jardín botánico de la
Universidad Tecnológica de Pereira.
La materia prima se sometió a un proceso de corte para la posterior extracción
del jugo utilizando el método de la hidrólisis acida en autoclave y a presión
constante; posteriormente, se realizo la fermentación del jugo utilizando para
este levadura comercial (sacchromyces cerevisiae)
Al jugo obtenido durante la hidrólisis y la fermentación se le realizaron pruebas
fisicoquímicas como densidad, brix refractometrico, azucares reductores
totales, materia fermentable e infermentable en el jugo, contenido de amino
nitrógeno libre, acides volátil como acido acético en jugo, entre otras; las cuales
permitieron cuantificar la cantidad de carbohidratos presentes en el renuevo.
Finalmente el producto obtenido fue sometió a varias destilaciones con el fin de
aumentar el grado de pureza y poder caracterizarlo por medio de pruebas
físicas como densidad, cromatografía de gases, e infrarrojo.
2
Según la cromatografía de gases, se encontró la presencia de etanol como
compuesto químico mayoritario, sin embargo podrían existir otros alcoholes en
menor cantidad que no fueron detectados por este método.
3
JUSTIFICACIÓN
La guadua es un excelente recurso renovable, de rápido crecimiento y fácil
manejo, que brinda beneficios económicos, sociales y ambientales [1]; es muy
común en la región del Eje Cafetero colombiano y en departamentos como el
Valle del Cauca y Antioquia, es utilizada como materia prima en el sector de la
construcción en muchas regiones del país que adquieren la mayor parte del
recurso en el Eje Cafetero; además, se emplea en la fabricación de muebles,
artesanías, artículos utilitarios y en la producción de latas, laminados,
molduras, tablillas, pisos, entre otros [2].
La guadua es un bambú espinoso perteneciente a la Familia Poacecae, a la
sub-familia Bambusoideae y a la tribu Bambuseae; La especie Guadua
angustifolia sobresale dentro del género por sus propiedades físico –
mecánicas y por el tamaño de sus culmos que alcanzan hasta 30 metros de
altura y 25 centímetros de diámetro. Ha sido seleccionada como una de las
veinte especies de bambúes mejores del mundo ya que su capacidad para
absorber energía y admitir una mayor flexión, la convierten en un material ideal
para construcciones sismorresistentes [1].
La Guadua es una planta, que aporta múltiples beneficios para el ambiente; y
en especial en el suelo los rizomas y hojas en descomposición, conforman
símiles de esponjas, evitando que el agua fluya de manera rápida y contínua,
con lo cual se propicia la regulación de los caudales y la protección del suelo a
la erosión [3].
El presente estudio muestra otra forma de utilizar este recurso natural y orientar
a futuras investigaciones en el tema y da observaciones preliminares que
contribuyan al desarrollo de métodos para la obtención de subproductos tales
4
como el etanol, con el fin de incentivar y reactivar el cultivo de guadua, no solo
como un elemento para la construcción si no como una fuente de producción
de otros componentes que ayuden al mejoramiento de la economía de la
región.
La información provista para esta investigación es muy escasa por lo cual se
hizo necesario basarse en investigaciones y procedimientos establecidos para
la obtención de etanol de otros productos naturales como la caña de azúcar, la
madera, etc.
5
1. OBJETIVOS
1.1 Objetivos generales:
Estudiar la viabilidad para producir etanol a partir de renuevos de guadua por
fermentación a nivel de laboratorio utilizando levadura comercial.
1.2 Objetivos específicos:
• Caracterizar por medio de cromatografía en capa fina y análisis para
azucares reductores los carbohidratos presentes en los renuevos de guadua
para la obtención de etanol.
• Plantear y desarrollar un método para la obtención de etanol.
• Determinar las propiedades fisicoquímicas y la composición porcentual
del alcohol obtenido además de identificarlo por cromatografía de gases.
6
2. ANTECEDENTES
2.1 HISTORIA DE LA GUADUA
Siempre se ha relacionado y reconocido el bambú como una planta
históricamente ligada a la cultura oriental, recibiendo desde épocas remotas y
desde el punto de vista botánico, económico y cultural, mayor atención que los
bambúes americanos, donde no se les ha tratado con la importancia que se
merecen; aunque, en nuestro caso, desde la época precolombina se ha venido
utilizando nuestro bambú-guadua, en la construcción de viviendas; desde
indígenas, según vestigios encontrados en excavaciones arqueológicas donde
habitaron indios Calimas y Quimbayas, hasta nuestros días.[7]
A comienzos del siglo XIX, los botánicos europeos Humboldt y Bompland
realizaron un viaje a América equinocial, donde vieron este maravilloso bambú
americano. La planta no solo les llamo la atención por su tamaño, sino también
por los diversos usos que las comunidades nativas daban a sus culmos, y la
asociaron con los bambúes de Asia que ya conocían. Fue así como en 1808 la
identificaron con el nombre científico de Bambusa guadua Humboldt &
bompland.
Mas adelante, el botánico aleman Kart Sigismund Kunth profundizó en el
estudio del material botánico recolectado por Humboldt y Bompland y consideró
que este bambú americano debía segregarse del genero asiático Bambusa ya
que reunía una serie de características que lo hacían único y diferente además
una distribución geográfica distinta. En consecuencia, creo en 1822 el género
guadua, en el que utilizó el vocablo indígena ‘guadua’, con el que los
aborígenes de Colombia y Ecuador denominaban a esta planta.
7
En el siglo XX, los estudios de Tomas R. Soderstrom y Royers Ellis (1978) y de
Soderstrom y Ximena Londoño (1987) sobre anatomía y morfología de la
Guadua respectivamente, confirmaron la tesis segregacionista de Kunt.
Posteriormente, Lynn g. Clark, Zhang y Johnatan Wendel (1995) realizaron
estudios moleculares que permitieron confirmar que este bambú americano no
pertenece a la subtribu Bambusinaek ni al genero Bambusa como se había
pensado antes, si no que forma su propia subtribu, Guaduinae, y su propio
genero, Guadua [8]
El género guadua se diferencia de los otros géneros de bambúes del mundo
por presentar las siguientes características.
• Ausencia de estomas por el envez y presencia de papilas asociadas con
estomas por el haz.
• Bandas de pelos cortos y blancos arriba y debajo de la línea nodal.
• Hoja caulinar triangular, con las márgenes de la vaina y la lamina continuas
o casi continuas
• Presencia o carencia de espinas sobre culmos.
• Palea de textura firme con quillas aladas. [7]
Guadua angustifolia es la especie que Kart Sigismund Kunth seleccionó como
la especie del tipo del genero Guadua. Su epíteto específico ‘angustifolia’
significa en latín ‘hoja angosta’ y describe una de las características
morfológicas más sobresalientes. [8]
Con base en las categorías taxonómicas establecidas para las plantas, la
especie Guadua angustifolia se puede clasificar de la siguiente manera:
• Reino: Vegetal
• División: Spermatophyta
8
• Subdivisión: Angiosperma
• Clase: Monocotiledoneae
• Orden: Glumiflorales
• Familia: Poaceae o Gramineae
• Subfamilia: Bambusoideae
• Tribu: Bambuseae
• Subtribu: Guaduinae
• Genero: Guadua
• Especie: angustifolia
• Variedades: bicolor y nigra
• Formas: “macana”, “cebolla”, “cotuda”, “castilla” , “rayada negra”,
“bicolor”, “rayada amarilla” [8]
2.1.1 Guadua Macana:
Plantas con tallos de paredes gruesas, distancias de entrenudos más o menos
regulares en todo el tallo, diámetros menores, presencia abundante de ramas
básales espinosas, llamadas comúnmente ganchos, entrecruzadas en tal forma
que hacen difícil la entrada al guadual. [7 ]
2.1.2 Guadua Cebolla:
Los tallos de esta planta poseen paredes mas delgadas, alcanzan mayores
diámetros, longitud de entrenudos mayores, apariencia frondosa de sus
bosques, tallos de diferente diámetro dentro de un mismo rodal, posee o no
pocas ramas básales. [7]
2.1.3 Guadua Castilla:
9
Sus tallos alcanzan los mayores diámetros y alturas.
2.1.4 Guadua Cotuda:
Caracterizada normalmente por la presencia de protuberancias alternas en
cada nudo que coincide con las yemas, presentándose la apariencia final de
tallos mal formados.
2.1.5 Guadua rayada negra
Tiene características similares a los biotipos anteriores, pero al secarse
adquiere coloraciones negras y ocres en forma de rayas.
2.1.6 Guadua angustifolia var. Bicolor – rayada amarilla
Se diferencia de las formas biológicas antes mencionadas por la belleza de sus
culmos verdes con rayas amarillas [7]
2.2 Utilidad de la Guadua
El uso mas importante de la Guadua esta en la construcción de viviendas,
debido a la facilidad con que sus tallos pueden ser cortados y transportados a
grandes distancias, además de sus cualidades físico-mecánicas; en Colombia
10
son innumerables los usos que se le ha dado a toda la planta, sin excluir
alguna de sus partes.
Sus rizomas, en forma de caimán son utilizados en parques infantiles con fines
decorativos.
Las variaciones de resistencia y dureza del tallo son aprovechados en la
fabricación de papel y en la elaboración de productos artesanales tales como
sonoros instrumentos musicales y una infinidad de artículos domésticos.
La utilidad de los bambúes, en términos generales es similar tanto en el
hemisferio oriental como en el hemisferio occidental.
En los países orientales, la principal utilización es como alimento; los brotes de
10 a 15 días de edad con altura promedio de 30 cm. Son los más apetecidos
como alimento humano o en su defecto, como sustento para animales.
Los brotes seleccionados son cortados, luego, se les remueve la cubierta y una
ves hervidos por tres veces son utilizados como alimento humano. El color de
estos brotes es blanco y tienen la apariencia y la consistencia de la papa; su
sabor, es ligeramente dulce y similar al de la nuez. [7]
2.3 HIDRÓLISIS DE LOS CARBOHIDRATOS
Teniendo en cuenta que los carbohidratos presentes en la guadua no son
atacados directamente por las levaduras o bacterias empleadas para obtener
etanol, se hace necesario acudir a la hidrólisis para convertir estos
carbohidratos en hidratos de carbono sencillos asimilables por la levadura o
bacterias.
El término hidrólisis es aplicado a reacciones de la química inorgánica y
química orgánica, en donde el agua efectúa una doble descomposición con
otro compuesto.
Esquemáticamente una reacción de hidrólisis se representa así:
11
El termino hidrólisis se aplica también a reacciones en donde un ácido se
añade al agua, en mayor o en menor cantidad, para acelerar la reacción.
Esta hidrólisis o conversión puede llevarse a cabo con ácidos inorgánicos o por
acción enzimática siendo esta última la más utilizada industrialmente [12]
Hay diferentes clases de hidrólisis, entre las cuales pueden mencionarse:
a) Hidrólisis con soluciones acidas diluidas o concentradas
b) Hidrólisis con soluciones acuosas alcalinas diluidas o concentradas.
c) Hidrólisis utilizando enzimas como biocatalizadores.
2.3.1 Hidrólisis acida.
Durante mucho tiempo se efectuó la hidrólisis en recipientes abiertos, pero su
tiempo de reacción era muy grande, hoy se efectúa la hidrólisis bajo presión en
autoclaves de forma cilíndrica, llamados convertidores en los cuales la
transformación se verifica en poco tiempo.
La celulosa es un polisacárido que al ser tratado con ácidos se rompe en
cadenas cortas de disacáridos y monosacáridos. El grado de degradación
depende de la concentración del ácido, la temperatura y el tiempo de hidrólisis;
mientras la acción del ácido se efectúa, el peso molecular y la viscosidad de los
productos de hidrólisis decrece y el poder reductor aumenta
Los ácidos mas utilizados para producir aldosas son el ácido clorhídrico y el
ácido nítrico.
2.4 FERMENTACIÓN
2.4.1 Historia de la fermentación.
12
El conocimiento real de la fermentación se inicia en 1762, en este año Becher
da a conocer el resultado de sus trabajos afirmando que solo la presencia de
azucares podría por fermentación originar el alcohol.
En el siglo XVIII se consiguen notables progresos en el desarrollo de la
fermentación alcohólica. En el año de 1974 Mac Bride consigue identificar el
gas desprendido en la fermentación como el anhídrido carbónico; en 1766
Cavendish mide la cantidad total de este gas que se desprende en una
fermentación.
A fines de siglo, en 1773, publica Lavoiser su obra Traite Elementaire de
Chimie, en la cual pone de manifiesto los resultados de sus numerosos trabajos
que lo llevan a afirmar que en la fermentación, el azúcar se desdobla en alcohol
y anhídrido carbónico, mediante una reacción química que cumple la ley que
lleva su nombre o de “la conservación de la materia”.
En el siglo XIX se consiguen progresos importantes; en efecto se abandona la
idea de que la fermentación era una reacción química y se considera la función
biológica que desempeña la levadura.
Gay-Lussac, en el año 1810, señala que para que se produzca la fermentación
alcohólica es necesaria la presencia de una sustancia azucarada y la
intervención de un fermento particular de naturaleza animal. Así mismo opinaba
que el oxigeno era muy importante y fórmula su ecuación de la fermentación:
C6H12O6 2CO2 + 2CH3CH2OH
En 1836 varios autores manifiestan que las levaduras son vegetales y que en
su vida se encuentra la causa de la fermentación alcohólica. Las levaduras son
de acuerdo con los resultados de las investigaciones de Leeuwenhock,
pequeñas esférulas que se multiplican y que solo en estado viviente ejercen
acción sobre el azúcar. (Teoría Vitalista).
13
Por esta misma época varios científicos afirmaban que la fermentación era
producida por una sustancia en descomposición, no por ser un ser vivo que se
desarrolla y reproduce (Teoría Mecánica).
Intervino entonces Pasteur, quien hizo evidente que la levadura descompone el
azúcar como consecuencia de su actividad vital.
Demostró también que en la fermentación de 100 partes de sacarosa se
originaban primero: 105.4 partes de azúcar invertido, las que a su vez,
mediante la fermentación, producen 51.1 partes de alcohol etílico, 49.4 de
anhídrido carbónico, 3.2 partes de glicerina, 0.7 partes de ácido succínico y una
parte de otras sustancias [13]
En 1982 Franklin G. King y Muhammad A. Hossain, hacen un estudio del
efecto del pH, la temperatura y la concentración de glucosa en la producción de
etanol por Zymomonas mobilis en fermentación discontinua [14]
En 1983 Kye-Joon Lee y otros colaboradores hacen un estudio donde evalúan
la alta producción de etanol por fermentación con Zymomonas mobilis y hacen
los estudios cinéticos [15]
En el mismo año Thomas Karsch y otros colaboradores estudian algunas de las
ventajas y desventajas de la producción de etanol con Zymomonas y
saccharomyces [16].
2.4.2 Definiciones.de fermentación
La palabra fermentación se deriva etimológicamente de la latina fervere, que
significa ebullición, burbujeo y fue aplicada a la transformación tumultuosa que
experimentaba el mosto de la uva al convertirse en vino y durante el cual se
producía un abundante desprendimiento de anhídrido carbónico a través de
todo el jugo, y daba la impresión de que este se encontraba en ebullición.
14
Después de los estudios de Gay-Lussac, el termino fermentación represento el
desdoblamiento del azúcar en alcohol y dióxido de carbono. Considerando la
ecuación general de Gay-Lussac:
Se observa que no es posible por simple rotura que se origine directamente el
anhídrido carbónico y el alcohol, ya que tanto el grupo carboxílico como el
metilico faltan en la molécula de glucosa.
Es preciso, entonces, que durante el proceso de la fermentación exista una
migración de átomos, tanto de hidrógeno como de oxígeno, de átomos de
carbono a otros, como formación de productos intermedios.
Mas tarde Pasteur demostró el papel de las levaduras en esta reacción y la
palabra llego a relacionarse con los microorganismos y más tarde aún con las
enzimas. [11]
15
El proceso fermentativo total, será pues, el resultado de una serie de
reacciones parciales, las cuales se realizan con una gran velocidad, hasta tal
punto que el reconocimiento de los productos intermedios en presencia de la
célula viva es muy difícil y en algunos casos imposibles, por lo que se tiene
que recurrir a otros métodos para lograr el objetivo.
En un sentido un poco mas amplio en donde la finalidad principal es la
descripción de los productos finales, el termino fermentación se refiere al
desdoblamiento de los carbohidratos y derivados bajo condiciones anaeróbicas
o aerobias.
La mayoría de las fermentaciones realizadas bajo control, proporcionan
productos finales importantes como alcoholes, ácidos orgánicos, aldehídos,
cetonas etc.
2.4.3 Fermentación Alcohólica.
Los efectos de la fermentación alcohólica han sido conocidos desde la
antigüedad, habiendo interesado desde entonces a todos los estudiosos el
conocimiento de las causas que lo originan.
Las fermentaciones tienen lugar cuando las condiciones ambientales permiten
la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos susceptibles.
Las fermentaciones han desempeñado un papel vital en el desarrollo del
hombre desde los tiempos más remotos hasta la época actual. Pronto la
experiencia enseño al hombre a sacarle ventaja a la fermentación.
Los procesos de fermentación, ya sean para fines de conservación u otros,
estimulan la multiplicación de los microorganismos y sus productos son muy
deseados [17]
2.4.4 Mecanismo general de la fermentación alcohólica.
16
Con el tiempo han sido propuestos muchos mecanismos que pretenden
explicar la fermentación, (Lebedew, Kluyver, Meyerhof, entre otros). Con el fin
de facilitar la comprensión del complicado proceso. La fermentación conocida
mas ampliamente es la escisión de glucosa para formar etanol y CO2, en
especial predominante en levaduras. Las levaduras utilizan las mismas
reacciones del camino de Emben-Meyerhof hallado en animales para producir
piruvato. El piruvato es dexcarboxilado en levaduras por una enzima que utiliza
pirofosfato de tiamina como coenzima. El derivado hidroxietiltiamina intermedio
se descompone para liberar acetaldehído libre al medio, el cual es entonces
reducido por NADH a etanol [21].
Cabe subdividir el mecanismo anaerobio de la glucosa en estas etapas:
fosforilación inicial, síntesis de glucogeno, conversión en triosa, etapa oxidativa
y formación del lactato o etanol.
H. Palacio presenta en un esquema las reacciones que son base de la
fermentación alcohólica, con las enzimas que rigen cada reacción, que a veces
se llama “esquema de Embden-Meyerhof”
17
La glucosa y otros azucares experimentan fosforilación obligada como primer
paso del metabolismo. Esta fosforilación es catalizada por una subclase de un
grupo de enzimas, las “cinasas irreversibles”; el producto de la reacción de
ATP y glucosa en presencia de la cinasa adecuada y Mg++ es glucosa-6-
fosfato. La irreversibilidad de esta reacción se explica por la formación de un
éster fosfato a expensas del enlace de fosfato rico en energía; este paso es
muy importante por que a partir de la glucosa-6-fosfato se generan muchas
rutas metabólicas.
La formación de acido láctico, producto terminal del metabolismo anaerobio de
la glucosa va precedida de desdoblamiento del esqueleto de la hexosa en
triosa. La primera reacción que experimenta la glucosa-6-fosfato, en esta vía
metabólica es su conversión en fructosa-6-fosfato, reacción catalizada por la
fosfohexosaisomerasa.
La fructosa-6-fosfato experimenta la fosforilación por el ATP en presencia de
Mg++ fosfofructocinasa formándose fructosa-1,6-difosfato.
La fructosa-1,6-difosfato se desdobla en dos moléculas de fosfotriosa por la
acción de la hexosa-difosfato aldosa, el producto de la reacción es una mezcla
equimolecular de gliceraldehido-3-fosfato y fosfato de dihidroxiacetona.
La conversión de gliceraldehido-3-fosfato en acido 1,3-difosfoglicerico e la
primera de las dos reacciones de la glucolisis en las cuales se generan enlaces
de fosfato rico en energía; el aldehido del gliceraldehido-3-fosfato se condesa
con el grupo sulfhidrilo de la enzima. El producto de la condensación
experimenta deshidrogenación convirtiéndose en un compuesto de tipo
mercapturo de acilo o tioéster ; los dos átomos de hidrogeno son aceptados
por NAD, en consecuencia, en la subsiguiente reacción de intercambio con
fosfato inorgánico se produce un fosfato carboxílico rico en energía
18
El enlace de fosfato rico en energia producido en la etapa oxidativa se conviete
en ATP por virtud de una fosfogliceraticinasa, en presencia de Mg++, la cinasa
transfiere el carboxilfosfato del acido difosfoglicerido al ADP, formándose ATP
y acido 3-fosfoglicérico, este acido, se convierte de manera irreversible en
acido 2-fosfoglicérico por la acción de la fosfogliceromutasa. La cual utiliza
como coenzima al acido 2,3-difosfoglicérico.
El acido 2,3-difosfoglicérico experimenta deshidratación reversible a acido
fenolpirúvico por acción de la enolasa; la acción de esta encima exige Mg++. El
fosfato rico en energía del fosfoenolpirúvico es transferido al ADP por la
piruvatocinasa en presencia de Mg++ dando como resultado la formación de
acido piruvico, en esta etapa a ruta metabólica se bifurca el camino que se
tome depende del organismo particular.
En las células de las levaduras hay una pirúvicodescarboxilasa anaerobia que
desdobla el acido pirúvico en CO2 y acetaldehído. El acetaldehído se reduce a
etanol; el producto Terminal de la fermentación alcohólica, por virtud de una
alcoholdeshidrogenasa que actúa en sentido inverso. El NADH necesario para
esta reducción proviene de la etapa oxidativa [22].
Todo lo anterior se refiere a la fermentación de la glucosa. Cuando se van a
fermentar disacáridos, se admite la existencia de una hidrolasa que realiza la
hidrólisis correspondiente para luego empezar el proceso normal [17]
2.4.5 Proceso de fermentación.
Los procesos empleados en la fabricación del alcohol etílico por fermentación
dependen de la naturaleza de la materia prima, las materias sacaroideas
requieren por lo general poco o ningún tratamiento y las materias celulositas
deben ser hidrolizadas a azucares fermentables antes que actúen las
levaduras sobre ellas.
En todos los procesos el éxito depende de la eficacia del tratamiento
preliminar, del empleo de una concentración adecuada de azúcar, de un pH y
19
temperatura óptimos, de la adición de sustancias nutrientes al mosto si
estuviera falto de alguno constituyente esencial, de la inhibición del crecimiento
bacteriano, del empleo de una variedad fuerte de levadura con una alta
tolerancia alcohólica y capaz por tanto de producir grandes cantidades de
alcohol, y de la inmediata destilación del mosto fermentado.
2.4.6 Esquema del proceso.
Los jugos hidrolizados se ajustan a la concentración de azúcar y temperaturas
deseadas por la adición de agua, así como el pH requerido por la adición de
una cierta cantidad de ácido o base; estos jugos se mezcla con una levadura
iniciada con el mosto en el tanque de fermentación, la fermentación comienza
rápidamente con el desprendimiento de grandes cantidades de dióxido de
carbono; en las fábricas modernas se recoge este gas, se purifica y se usa en
la fabricación de hielo seco. Al cabo de un tiempo determinado, la fermentación
suele estar terminada. Luego se destila la solución fermentada y el alcohol se
purifica en columnas de rectificación [11].
2.5 . LEVADURAS
Las levaduras pueden ser beneficiosas o perjudiciales, en la alteración de
zumos de frutas, melazas, carnes, etc. Las fermentaciones por levaduras
intervienen en los procesos de fabricación del pan, cerveza, vino, vinagre y
quesos de maduración superficial así como en la obtención de compuestos
químicos y enzimas [19], [20].
2.5.1 Características generales de las levaduras
Las levaduras se clasifican fundamentalmente por sus características
morfológicas las cuales se determinan por examen microscópico, aunque para
los microbiólogos son más importantes ciertas características fisiológicas.
2.5.2 Forma y estructura de las levaduras
20
La forma de las levaduras es muy variable: esférica, ovoidea, alimonada,
periforme, cilíndrica, triangular e incluso alargada en forma de micelio
verdadero o falso. Las partes estructurales que se pueden observar son: la
pared celular, citoplasma, vacuolas acuosas, glóbulos de grasa y gránulos
metacromáticos, albuminoideos o amiláceos [19], [20].
2.5.3 Reproducción de las levaduras
La mayoría se reproducen asexualmente por gemación polar o multilateral,
proceso durante el cual se forma en la periférica de la célula una protuberancia
con crecimiento centrifugo; la yema aumenta de tamaño hasta que finalmente
se desprende de la pared celular, constituyendo una nueva levadura. El
material nuclear recopilado se divide entre las células madre e hija [19] [20]
2.5.4 Caracteres de cultivo.
El aspecto de toda la masa de levadura de crecimiento no es, en la mayoría de
los casos, útil para su identificación. Es difícil distinguir en cultivos sobre agar
las colonias de levaduras de las bacterianas; la única forma segura de
diferenciarlas es por examen microscópico.
Las levaduras son oxidativas, fermentativas o ambos casos a la vez. Las
levaduras oxidativas pueden crecer formando una película o velo sobre la
superficie de los líquidos y se denominan levaduras formadoras de película.
Las levaduras fermentativas suelen crecer en toda la masa liquida [19], [20].
2.5.5 Clasificación de las levaduras.
Las levaduras verdaderas están incluidas en la subdivisión Ascomycotinia,
mientras que las denominadas falsas asporógenas lo hacen en Fungi
Imperfecti o Deuteromycotinia. [20].
21
3. MARCO DE REFERENCIA
3.1 LA ESPECIE GUADUA angustifolia
3.1.1 MORFOLOGÍA
� Rizoma
En el tallo de Guadua adulto el sistema subterráneo lo conforman tallos
indiferenciados con hojas mordicadas que se denominan rizomas; estos tallos
subterráneos son horizontales y cespitosos. Están constituidos por tres
componentes claramente diferenciados: el rizoma, las raicillas y las raicillas
adventicias [9] tienen entre 10 o 12 renuevos, también es conocido como cepa,
cada una de las cepas respeta el espacio de la otra, [10]
� Tallo, culmo o caña
22
El tallo de la guadua presenta estructuras muy especiales. Se destacan los
nudos y entrenudos; el nudo es el área del tallo donde crecen ramas con hojas;
el nudo ocupa toda la sección del tallo y se caracteriza por formar una zona
mas abultada; en la parte interna del nudo se desarrolla un tabique transversal
que interrumpe la cavidad que e denomina entrenudo y se clasifica como
fistuloso por ser hueco y sin medula central. Deja un espacio separado por el
tabique o septun. Un tallo de guadua en condiciones normales tiene entre 70 y
80 entrenudos, con longitud promedio de 26 cm.
El tallo o caña aérea, por la dirección normal que toma se ha definido como
ascendente o erecto, con dirección vertical y alguna tendencia oblicua en su
parte apical; en condiciones normales alcanza en promedio entre 18 y 20 m de
longitud
� Hojas caulinares protectoras
Se encuentran en el rizoma, en el tallo durante los primeros estados de
crecimiento y en las ramificaciones de la planta donde existen nudos con
23
yemas; su dimensión es variable, según la edad y la parte de la planta donde
se desarrollen.
En los tallos aéreos o en los renuevos de Guadua, las hojas caulinares tienen
forma triangular y dimensiones cuyos promedios son 55 cm. de base por 52 de
lado, cubiertas en el haz con pubescencias cortas y puntiagudas densamente
agrupadas, de coloración café que puede variar según el sitio, la época del año
y la especie; por el envés son glabras y brillantes de filotaxis alterna altamente
especializada para proporcionar alto grado de protección; estas permanecen
adheridas la nudo y se desprenden después e 45 días de emerger en renuevo.
� Ramas
Tienen como base y sustento el tallo y se originan a partir de la yema nodal su
disposición a lo largo de la planta es de filotaxis alterna; por la posición de las
ramas en el culmo y por la función que cumplen se clasifican en ramas básales
o bajeras y ramas apicales o superiores.
Las ramas básales o bajeras se encuentran en el tallo en los primeros 8 o 9
metros, muestran gran variabilidad en cuanto a longitud y diámetro, cuando
24
adquieren el desarrollo normal alcanzan e promedio 3 a 3,5 metros de largo
aunque también se pueden encontrar ramas de 8 metros. Las ramas superiores
o apicales se localizan a partir de los 12 metros de altura del tallo estas en
orden ascendente van disminuyendo en longitud de manera gradual hacia el
ápice simulando un pagoda de ángulo obtuso.
� Hojas o láminas foliares
Tienen forma lanceolada rematando en punta a partir de la base ancha, mucho
mas larga que ancha, con longitud promedio de 15 a 20 cm. y ancho entre 2 y
5 cm. el ápice de la lamina foliar remata gradualmente hacia una punta
prolongada. [9]
25
3.1.2 Estados de la Guadua
Los estados de la guadua son: renuevo (retoño), viche (verde), gecha
(madura), seca y la matamba (degeneración).
� Renuevo
Es el retoño, estado de niñez de la Guadua, de calor café, se caracterizo por
que tiene capacho, puede crecer de 15 a 20 cm. diarios, en esta etapa
permanece durante 4 o 5 meses. Los renuevos deben ser cuidados por ser la
manera natural de reproducción de la Guadua.
El grosor del renuevo permite determinar aproximadamente el diámetro
definitivo de la guadua. Durante el proceso de crecimiento los obstáculos que
se le presentan pueden deformar el renuevo y la futura Guadua [10]
El renuevo de Guadua no mayor a 45 días de haber emergido, contiene en
promedio por cada 100 gramos los componentes químicos q se relacionan en
el siguiente cuadro. [9]
26
� Viche o Verde
Es la etapa juvenil, de color verde, con hojas, en la cual alcanza su máxima
altura y grosor, presenta restos de capacho y pelusa, el color del nudo es
blanco, en ese estado permanece aproximadamente dos años. [10]
27
En un guadual natural el individuo joven o viche tiene una transitoriedad de 6 a
24 meses y no ha logrado el grado de resistencia ideal para ser utilizado debido
a su alto contenido de humedad. [9]
� Gecha o Madura
Es la etapa de la madurez, la Guadua presenta manchas blancas, las cuales
empiezan a salirle de abajo hacia arriba, por el lado que recibe mas luz, el nudo
es de color oscuro, en la medida que va madurando pierde la pelusa; se
caracteriza por presentar musgo.
El tiempo de permanencia en este estado depende del numero total de
guaduas en el guadual; si es alto la guadua se seca rápidamente, pues no
cuenta con las condiciones de aire y luz necesarias para mantenerse, por el
contrario si el numero de guaduas es bajo puede durar entre 8 y 10 años
gecha. Es la única fase apta para el aprovechamiento de los tallos. [10]
� Seca o Sobremadura
Es el último estado e la guadua antes de morir, de color amarillo, sus paredes
se desgarran fácilmente. La Guadua seca debe ser cortada para evitar la
pudrición del rizoma. Se utiliza para leña o como abono para el guadual
dejándola repicada. [10]
� Matamba
Guadua muy delgada, es el producto de la degeneración del guadual, desde el
renuevo es de poco grosor. Debe extraerse del guadual para evitar su
expansión, su uso se limita a estacas. [10]
3.1.3 Composición Química
Por ser la Guadua una gramínea, no contiene entre sus componentes el tejido
de Cambium, que le ocasión crecimiento grosor o diámetro, ni mucho menos
28
anillos de crecimiento anual. La epidermis de la Guadua es dura y cutinizada,
cubierta por una capa cerosa que evita la evaporación del agua. La dureza de
la epidermis se debe a las fijaciones de sílice, lignina y cutina que dan
resistencia al desgarramiento.
En la guadua el agua se presenta de dos formas: como agua de adición (que
forma parte de la pared celular), y la otra es el agua que se encuentra en los
entrenudos como agua libre o llenando los lúmenes dentro de la célula. La
pérdida de agua libre implica cambio en las propiedades físicas y mecánicas,
mientras que la pérdida de agua de adición ocasiona cambios en su
composición y estructura química.
Se concluye entonces que la Guadua es un material higroscópico. Cuando las
paredes celulares, los lúmenes de las células y los espacios intercelulares se
hayan completamente saturado de agua, se dice que tiene el máximo
contenido de humedad para lo cual adquiere su peso determinado.
29
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4.1 SELECCIÓN DE MATERIA PRIMA
Para realizar este proyecto se emplearon 7 muestras de renuevos de guadua
con características físicas similares, (peso, tamaño), los cuales se obtuvieron
del Jardín Botánico de la Universidad Tecnológica de Pereira.
Cada renuevo de guadua fue cortado entre las 7:30 am y las 9:00 am y se
transporto inmediatamente al laboratorio para su posterior análisis y de esta
manera evitar la perdida de humedad y descomposición química.
Para el proceso de fermentación el tipo de levadura empleado fue
Saccharomyces cerevisiae y puede obtenerse en el medio bajo la
denominación comercial de levadura activa seca levapan
4.2 PREPARACION DE LA MUESTRA
Cada renuevo de guadua es cortado en su base y despojado de sus hojas
caulinares protectoras, luego se lava para retirar la tierra y las sustancias
adheridas como se muestra en las figuras 9 y 10.
30
Posteriormente las muestras fueron pesadas y medidas, tratando de que
hubiera una equivalencia entre si y finalmente el procesamiento de corte y
picado del material para ser llevado a la autoclave e iniciar con la hidrólisis
4.3 HIDRÓLISIS
Las 4 primeras muestras fueron sometidas a hidrólisis acida controlando solo
variables como temperatura y grados Brix.
El volumen inicial de cada muestra era entre 2.0L y 2.5L a medida que se
realizaba el calentamiento y el proceso de hidrólisis se llevaba a cabo el
volumen de las muestra disminuyo hasta alcanzar un Brix entre 7 y 10 y un
volumen final entre 700 mL y 1.0L
Las tres muestras restantes fueron sometidas a hidrólisis acida en autoclave a
presión constante (115 psi) durante 2 horas con el fin de que el volumen no
cambiara.
31
Posteriormente las 7 muestras se dejaron enfriar y se filtraron para separa el
residuo sólido del jugo.
Finalmente al jugo obtenido se le realizan algunos análisis que permiten
conocer la composición del liquido antes de iniciar con la fase de fermentación;
estos análisis consisten en;
4.3.1 Brix refractometrico del jugo
Se determinó usando un refractómetro de tipo Fischer Abbe 3L a 24ºC
4.3.2 pH del jugo
La medida del pH del jugo es importante por que puede afectar el proceso de
fermentación, para ello se utilizo un pH-metro Fischer accument AB15 calibrado
a pH 7.0 y ajustado a pH 4.0 a la temperatura del jugo.
4.3.3 Azucares reductores totales en jugo
Se llevo a cabo por medio del análisis conocido como prueba de fehling
4.3.4 Sustancias reductoras infermentables en jugo.
El jugo utilizado para fermentar con levadura contiene sustancias reductoras no
fermentables las cuales son determinadas por titulación usando soluciones de
Fehling.
4.3.5 Azucares fermentables en jugo
Se obtiene de la resta entre el porcentaje de azucares reductores totales y el
porcentaje de infermentables totales.
4.3.6 Acides volátil como acido acético en el jugo
La acides volátil inhibe la actividad de la levadura y los azucares son utilizados
para la producción de acidez. Eso incide en la reducción de la eficiencia de
fermentación y en la conversión de etanol.
32
4.3.7 Contenido de amino nitrógeno libre en el jugo
El nitrógeno es esencial para el crecimiento de la levadura y sus actividades
metabólicas. La deficiencia de amino nitrógeno puede afectar adversamente el
proceso de fermentación y el rendimiento de etanol.
4.4 FERMENTACIÓN
Durante la etapa de la fermentación, fue necesario controlar el valor del pH
entre 6.0 y 7.0 usando para ello un pH-metro con electrodo de vidrio, acido
clorhídrico al 10% en agua o hidróxido de sodio al 10% en agua si el pH del
jugo es muy acido (menor 4.2)
De acuerdo con los datos obtenidos en el análisis del jugo se concluyó que era
necesario adicionar algunos nutrientes como cloruro de Amonio, Sulfato de
Magnesio, Urea.
La cantidad de levadura y nutrientes adicionada obedeció al volumen total de
jugo obtenido después de realizar el tratamiento pertinente de cada muestra,
siendo, para una muestra de mosto de 20 L
120g de Cloruro de Amonio, 10g de Sulfato de Magnesio, 40g de Urea y 455g
de levadura activa seca levapan.
33
La masa en fermentación se dejo hasta que la densidad permaneció constante
durante varias tomas realizadas con intervalos de 2 a 4 horas; al detenerse la
fermentación, el mosto fue sometido a diferentes pruebas con el fin de
comprobar la efectividad del proceso las cuales consisten en:
4.4.1 Brix refractometrito del mosto fermentado
Se determinó usando un refractómetro de tipo Fischer Abbe 3L a 24ºC
4.4.2 pH del mosto fermentado
Para ello se utilizo un pH-metro Fischer accument AB15 calibrado a pH 7.0 y
ajustado a pH 4.0 a la temperatura del mosto fermentado.
4.4.3 Volumen de células sedimentadas en el mosto fermentado
Los materiales suspendidos en el mosto fermentado, especialmente las células
de levadura son sedimentadas haciendo girar el mosto a altas r.p.m, para ello
se utilizó una centrifuga MSE MISTRAL 1000
4.4.4 Azucares residuales en el mosto fermentado.
Se realizó utilizando la prueba de Fehling, los azucares residuales en el mosto
son importantes por que permiten determinar si la fermentación ha sido
completa.
4.4.5 Contenido de etanol en el mosto fermentado usando un densímetro o
por densidad
El alcohol producido en el mosto fermentado es separado por destilación y la
gravedad específica del destilado se mide usando un densímetro
(alkoholometer nach Gaylussac – cartier 15ºC) o midiendo su densidad. Su
gravedad específica depende de su contenido de etanol y es determinado
usando la tabla de corrección para el densímetro, o las tablas de porcentaje de
etanol si se usa su densidad.
34
4.4.6 Acides volátil total titulable del mosto fermentado en términos de acido
acético y sales de acetato
La fermentación del alcohol es una fermentación no estéril. Las bacterias
presentes en el mosto fermentado producen ácidos; estos ácidos son tóxicos
para la levadura y afectan su productividad. El mosto fermentado es acidificado
y destilado; el destilado contiene los ácidos volátiles, estos son titulados con
una solución estándar alcalina para medir acidez volátil.
4.4.7 Contenido de amino nitrógeno libre en el mosto fermentado
El amino nitrógeno libre se mide por titulación usando un pH-metro, se utiliza
solución estándar de NaOH como titulante, se adiciona formaldehído a la
porción de muestra de prueba el formaldehído reacciona con el amino
nitrógeno y produce ácido. Este ácido es neutralizado con solución de NaOH y
el amino nitrógeno es determinado cuantitativamente
4.5 EVAPORACIÓN Y DESTILACIÓN
Al terminar la fermentación el mosto fue sometido a evaporación, utilizando
para esto un equipo conocido como rota-vaporador LABOROTA 4003-control
Heidolph, a una temperatura de 40ºC y 175mbar ,hasta obtener una solución
etanol-agua conocida con el nombre de flema, esta evaporación se realizo dos
veces para obtener una concentración mayor de etanol.
35
En la etapa de la destilación se realizo la extracción de las impurezas,
aldehídos, ácidos, esteres, glicerina, amoniaco, etc., del etanol.
El alimento para llevar a cabo la destilación es la flema obtenida en la etapa de
evaporación, el equipo utilizado consta de una columna de fraccionamiento
empacada, con una longitud de 52cm, un balón de tres bocas, y una manta de
calefacción, como se muestra en la figura 15.
Al destilado final se le realizaron algunos análisis para identificar la
composición y la pureza del alcohol obtenido.
Las pruebas realizadas fueron:
4.5.1 Gravedad específica y contenido de etanol en el alcohol
La gravedad específica es definida como la relación del peso de una muestra al
peso del agua, cuando el volumen de la muestra y el del agua son los mismos
y ambos pueden ser medidos por medio de un picnómetro.
El contenido de etanol en una muestra de alcohol es medido con precisión a
partir de su gravedad específica, por que la gravedad especifica del alcohol
varia con el contenido de etanol.
36
4.5.2 Determinación de sub-productos en el alcohol por cromatografía de
gases
Se realizo utilizando un cromatógrafo de gases Konik HRG 3000 C.
4.5.3 Registro infrarrojo del etanol obtenido en la fermentación
Se determino por medio de un equipo I.R proporcionado por el laboratorio de la
fiscalia general de la nación, cuerpo técnico de investigación C.T.I
37
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.1 DESCRIPCIÓN DE LAS MUESTRAS
Los renuevos utilizados son de color blanco, y huecos entre nudo y nudo hasta
llegar a la parte superior, en donde se hace mas blando, tiene la apariencia y la
consistencia de la yuca y su sabor es similar al del repollo.
TABLA 3. Características físicas de las muestras 1 - 4
5.2 TRATAMIENTO DE LAS MUESTRAS 1 A 4
Las cuatro primeras muestra fueron sometidas a hidrólisis acida controlando la
temperatura y los grados Brix; luego el jugo obtenido fue concentrado con el fin
de aumentar los grados brix para cada muestra.
5.3 ANÁLISIS DEL JUGO
5.3.1 Análisis físicos de las muestra 1-4
Muestra Longitud Diámetro de
la base
Peso Tiempo de
corte
1 79 cm. 13.5 cm. 2.4 kg. Seco
2 75 cm. 15 cm. 2.4 kg. Seco
3 75 cm. 14 cm. 2.3 kg. Lluvias
4 80 cm. 15 cm. 2.3 Kg. Lluvias
38
De acuerdo con los resultados obtenidos para las muestras 1 - 4 en los análisis
de Brix refractometrico y pH, los valores dieron muy similares, mostrando que a
menor volumen el contenido de grados brix aumenta así como disminuye el pH
haciéndolo mas acido, y aunque el brix es solo una indicación de los sólidos
totales disueltos es un buen indicio para conocer la cantidad de azucares
reductores totales en las muestras.
Por otra parte el pH al dar valores tan bajos para la fermentación fue necesario
neutralizarlo con NaOH 10% y de esta manera no afectar el proceso de
fermentación.
TABLA 4. Resultados del análisis físico de las muestras 1-4 en el jugo
5.3.2 Análisis químicos de las muestra 1-4
� Azucares reductores totales en jugo
Este análisis se realizó por medio de la titulación de soluciones de Fehling A y
B, con una solución invertida del jugo crudo, diluido y clarificado obtenido de la
hidrólisis acida del renuevo.
Para tener mejores resultados las soluciones de Fehling fueron estandarizadas,
dado que el contenido de cobre en la solución puede variar; en este caso la
concentración de la solución estándar de glucosa es 2mg/ml por consiguiente,
Muestra Volumen inicial Brix inicial pH inicial Brix final pH final Volumen final
1 1.0 L 2.0 5.96 5.0 4.42 500ml
2 1.5 L 1.5 5.02 5.0 4.09 900ml
3 3.2 L 2.0 5.76 6.0 4.46 900ml
4 2.0 L 2.0 6.23 7.0 4.03 700ml
39
interpolando teóricamente el punto final debe ser 25.64ml (referente, Indian
Standards: IS:1162-1958) por lo tanto,
Donde A es el promedio de las lecturas de las titulaciones.
El factor de Fehling para estas titulaciones fue:
Los Azucares reductores totales en el jugo son dados como:
Donde:
5.127 es una constante (factor de azúcar invertido, interpolado y obtenido de
IS-1162-1958)
FF es el factor de Fehling
DF es el factor de dilución del jugo
Tl volumen gastado en la titulación
Para cada una de las muestra esta prueba se realizó por triplicado y el valor
reportado en la tabla 5 es un promedio de los tres.
Según los resultados presentados en la tabla 5 para azucares reductores en
cada muestra se pudo ver como a medida que fue mejorando el proceso de
hidrólisis ácida y el brix, aumento la cantidad de azucares reductores.
40
� Sustancias reductoras infermentables en jugo
Las sustancias no fermentables pueden ser azucarez o no-azucares y para
llevar a cabo este análisis se realiza una prueba de Fehling después de dejar el
jugo fermentando en una incubadora al menos por 20 o 24 horas.
La materia infermentable en el jugo se calcula:
Donde:
5.128 es una constante (factor de azúcar invertido, interpolado y obtenido de
IS-1162-1958)
FF es el factor de Fehling
Tl volumen gastado en la titulacion
FD es el factor de dilución que se calcula así.
Esta prueba se realizo por duplicado para cada muestra y el valor reportado fue
un promedio de los dos.
� Azucares fermentables en jugo
Esta es una simple resta entre los azucares infermentables y los azucares
reductores por tanto se calcula así:
%de azucare fermentables totales = %Azucares reductores totales - % Azucares infermentables totales
De acuerdo con los resultados obtenidos para este análisis en cada muestra,
se podría decir que el proceso de fermentación no fue muy eficiente para las
41
muestras 1 y 2, pues la cantidad de material fermentable es muy poca para el
volumen total obtenido de jugo siendo para la muestra 1, 500ml de jugo con
1.39% de azucares fermentables totales; y para la 2, 900ml de jugo con 2.36%
de azucares fermentables.
Para las muestra 3 y 4 la eficiencia fue mucho mejor ya que para la muestra 3
se obtuvieron 900ml con un porcentaje de 5.26% de azúcar fermentable; y la
muestra 4 contiene 700ml con un porcentaje de 7.09% de azucares
fermentables.
Lo que nos lleva a afirmar que en la medida en que se mejoren las condiciones
para la hidrólisis y la concentración del jugo, mejor será la eficacia del
procedimiento de fermentación y obtención del etanol; sin embargo este
aumento en la concentración de azucares reductores también podría ser por la
cantidad de agua presente en la muestra, pues recordemos que las muestra 1
y 2 fueron cortadas en tiempo seco, mientras que las muestra 3 y 4 fueron
cortadas en época de lluvias lo que incidiría en el aumento del contenido de
agua.
� Acidez volátil como acido acético en jugo
La presencia de acido acético en el jugo puede darse por contaminación
bacteriana debido a condiciones antihigiénicas y por su composición química,
después de la hidrólisis el pH acido y va disminuyendo con el deterioro y en
consecuencia la acides total crece haciendo mas difícil la fermentación; este
análisis se basa en la neutralización de los ácidos que contiene el jugo
mediante su reacción con una base fuerte y se calcula;
Acidez total (A), expresada en gramos de ácido acético por 100 g de jugo,
mediante la expresión:
42
Donde:
V es el volumen, en ml, de la solución de referencia de NaOH 0.1 mol/L
c es la concentración, de la solución de referencia (mol/L)
m es la masa, en g, de jugo valorada
6 es un factor que involucra la masa molar del ácido acético
Los valores obtenidos para cada una de las muestras, disminuyeron a medida
que mejoraba el proceso y el tiempo de tratamiento para cada muestra se hacia
mas pequeño, para evitar un ataque bacteriano o degradación de la muestra
por sus componentes.
� Contenido de amino nitrógeno libre en jugo
Los compuestos nitrogenados en el jugo, están disponibles para la levadura en
forma de aminoácidos y amoniaco, la deficiencia de estos compuestos hace
muy lenta o detiene la fermentación. Esta prueba mosto que el contenido de
amino nitrógeno libre en cada muestra es muy pequeño, por lo tanto se hizo
necesario la adición de nutrientes como Cloruro de Amonio, Sulfato de
Magnesio, Urea, pues el nitrógeno es el principal componente de las enzimas,
las cuales juegan un papel muy importante en la conversión de azúcar a
alcohol.
La relación básica utilizada para el calculo es 1ml de NaOH 0.1N = 1.4mg de
nitrógeno, usando la siguiente ecuación para calcular el ANL en el material
43
TABLA 5. Resultados de análisis químico de las muestras 1 – 4 en el jugo
5.4 Análisis de la fermentación
5.4.1 Análisis físicos de las muestra 1 -4
Antes de iniciar con la fase de fermentación se midió el pH y los grados Brix.; el
pH se encontraba ligeramente ácido como se puede observar en la tabla 4, por
lo tanto se neutralizo cada una de las muestras de jugo con NaOH al 10%, para
dar lugar a la fermentación.
El tiempo de fermentación para cada muestra fue diferente, debido a la poca
cantidad de azucares fermentables que se encontraba en cada muestra lo cual
se pudo corroborar con los análisis químicos que se le realizaron a las
muestras 1 - 4 (ver tabla 7).
El volumen de células sedimentadas obtenidas al finalizar la fermentación fue
muy poco para cada una de las muestra, lo que podría significar que la
fermentación no fue completa, o las condiciones para realizarla no eran las más
adecuadas.
Muestra Azucares
reductores
Material
infermentable
Azucares
fermentables
Acidez volátil
(g Ac.Ac/100g de
jugo)
Contenido de
amino nitrógeno
libre
1 1.60% 0.21% 1.39% 4.3 0.8mg/L
2 2.55% 0.19% 2.36% 4.1 0.6mg/L
3 5.43% 0.17% 5.26% 3.3 0.9mg/L
4 7.25% 0.16% 7.09% 3.7 1.1mg/L
44
TABLA 6. Resultados del análisis físico de las muestras 1-4 en la fermentación
5.4.2 Análisis químicos de las muestra 1 -4
Los porcentajes de etanol obtenidos no fueron los deseados para este
procedimiento, sin embargo da una pauta tangible para futuros ensayos.
La prueba de azucares residuales en el mosto fermentado por el método antes
descrito es equivalente a los azucares infermentables en la materia prima o
jugo y de acuerdo con este valor se puede decir que la fermentación ha
terminado y el mosto fermentado esta listo para la destilación, pero en esta
etapa los azucares residuales no disminuyeron si no que aumentaron, este
aumento podría ser por la presencia de levaduras extrañas o salvajes que
puede entrar con las materias primas como contaminantes del proceso de
fermentación y se establecen por si mismas, su proliferación puede causar
problemas tales como fermentación incompleta, formación de espumas en la
superficie, formación de subproductos etc. Y por esta misma razón se explica el
hecho de que el contenido de amino nitrógeno libre haya disminuido al ser
empleado como alimento por estas levaduras.
Muestra Volumen
inicial
Brix
inicial
pH
inicial
Brix
final
pH
final
Volumen de células
sedimentadas
1 500ml 5.0 6.33 4.0 6.02 0.5ml.
2 900ml 5.0 6.39 3.0 6.13 0.6ml.
3 900ml 6.0 6.44 4.0 6.10 0.9ml.
4 700ml 7.0 6.54 4.0 6.07 1.5ml.
45
TABLA 7. Resultados de análisis químico os de las muestras 1 – 4 en la fermentación
5.5 ANÁLISIS DEL ALCOHOL
5.5.1 Evaporación Y Destilación
Los porcentajes de etanol fueron demasiado bajos, lo que mostró que este no
es el mejor método, pero sirvió de ayuda para que las condiciones del
tratamiento de las tres muestras restantes mejoren y de esta manera el
rendimiento probablemente sea mayor.
TABLA 8. Resultados de la evaporación de las muestra 1 – 4
Muestra Volumen inicial Volumen final Densidad % de etanol
25ºC
1 500ml 447ml 0.99665g/ml 0.23%
2 900ml 850ml 0.99519g/ml 1.00%
3 900ml 865ml 0.99439g/ml 1.44%
4 700ml 669ml 0.99310g/ml 2.14%
Muestra Azucares residuales
en el mosto
fermentado
Contenido de etanol en el
mosto fermentado usando
densiometro a 15ºC
Acides volátil (g
Ac.Ac/100g de jugo)
Contenido de
amino nitrógeno
libre
1 1.53% 1.0% 2.54 0.05mg/L
2 1.56% 1.2% 2.39 0.03mg/L
3 1.47% 1.9% 1.10 0.07mg/L
4 1.42% 2.1% 1.15 0.10mg/L
46
TABLA 9. Resultados de la destilación de las muestra 1 - 4
Muestra Volumen inicial Volumen final Densidad % de etanol 25C
1 447ml 16ml 0.99551g/ml 0.83%
2 850ml 63ml 0.99411g/ml 1.58%
3 865ml 65ml 0.99393g/ml 1.69%
4 669ml 33ml 0.99280g/ml 2.28%
Debido a el poco contenido de etanol en la muestra, no se realizaron los
espectros IR correspondientes así como tampoco se realizo la cromatografía
de gases.
5.6 EFICIENCIA DEL PROCESO
Por cada 100g de Renuevo de Guadua hay entre 2 y 4 gramos de glucosa
47
5.6.1 Eficiencia en el evaporador (E.F.E)
En el evaporador se obtuvieron 447ml con densidad 0.99655g/ml de una
mezcla etanol-agua.
5.6.2 Eficiencia en la destilación (E.F.D)
En la destilación se obtuvieron 16ml con densidad 0.99551g/ml
48
5.6.3 Eficiencia total del proceso (E.F.P)
TABLA 10. Eficiencia del proceso
5.7 TRATAMIENTO DE LAS MUESTRA 5 A 7
Las tres muestras 5 -7 fueron sometidas a hidrólisis ácida en autoclave a
presión constante (115 psi) durante 2 horas, luego se dio inicio a la
fermentación, la cual fue monitoreada por medio de la densidad, los grados
brix, y pH con el fin de determinar el momento en el que la fermentación
culminaba para continuar con la evaporación y finalmente con la destilación;
Muestra Masa
glucosa
Masa
sacarosa
Etanol
teórico
Etanol
experimental
en
evaporación
Etanol
experimental
en
destilación
E.F.E E.F.D E.F.P
1 72g 68.4g 38.33g 1.02g 1.32g 2.66% 13.0% 0.344%
2 72g 68.4g 38.33g 8.45g 1.05g 22.1% 12.5% 2.75%
3 69g 65.5g 35.55g 12.4g 1.09g 34.5% 8.82% 3.07%
4 69g 65.5g 35.55g 14.2g 0.75g 40.0% 5.25% 2.11%
49
para el desarrollo de la fermentación se uso el procedimiento descrito en el
numeral 4.4, utilizado para las 4 primeras muestras
TABLA 11. Características físicas de las muestra 5 -7
5.8 Análisis del jugo
5.8.1 Análisis físicos de las muestra 5-7
Como se observa en la tabla 12, bajo condiciones de presión y volumen
constante aumentan los grados Brix, logrando así que no haya pérdida de agua
y que el material celuloso del que esta conformado el renuevo de Guadua se
descomponga en cadenas de carbohidratos más pequeñas para que durante la
fermentación la conversión de azúcar a alcohol sea mejor.
El pH del jugo al encontrarse acido debe ser neutralizado para que no interfiera
en la fermentación, ya que las levaduras no sobreviven en este medio.
Al reducir el volumen inicial de la muestra hasta la mitad eliminando agua se
pretendía que la concentración de sólidos totales disueltos aumentara y de esta
manera se esperaría que la cantidad de azucares reductores también lo hiciera.
Muestra Longitud Diámetro de la base Peso Tiempo de corte
5 68cm. 16 cm. 2.2 kg. Seco
6 73 cm. 15 cm. 2.2 kg. Lluvias
7 75 cm. 15 cm. 2.3 kg. Seco
50
TABLA 12 Resultados de análisis físico de las muestras 5 – 7
5.8.2 .Análisis químicos de las muestra 5-7
Los procedimientos empleados para cada uno de estos análisis se describen
en el numeral 5.3.2, los cuales también fueron utilizados en los análisis
químicos de las muestras 1 - 4.
Los datos obtenidos cumplen un poco más con las expectativas que se tenían
al iniciar el proyecto, pues las cantidades alcanzadas en cada uno de los
estudios aumento considerablemente con respecto a las cuatro primeras
muestras, y por ende es de esperar que el contenido de etanol crezca y la
eficacia del proceso sea superior.
TABLA 13. Resultados de análisis químico os de las muestras 1 – 4 en el jugo
Muestra Volumen
inicial
Brix inicial pH inicial Brix final pH final Volumen
final
5 2.0 L 4.0 4.05 6.0 3.92 1.4L
6 3.2 L 5.0 3.67 11.0 2.82 2.0L
7 4.8 L 7.0 3.09 11.0 3.24 2.7L
Muestra Azucares
reductores
Material
infermentable
Azucares
fermentables
Acides volátil
(g Ac.Ac/100g de
jugo)
Contenido de
amino nitrógeno
libre
5 9.62% 0.16% 9.46% 1.3 1.21mg/L
6 10.32% 0.14% 10.18% 1.2 1.84mg/L
7 10.97% 0.070% 10.90% 2.4 1.75mg/L
51
5.8.3 Cromatografía en capa fina del jugo de renuevo de Guadua
Antes de realizar un trabajo de separación por cromatografía en capa fina,
debe seleccionarse la fase móvil con la cual se hará la elusión de la muestra;
esta elección depende de la naturaleza del compuesto y su polaridad. Debido a
que los azucares son compuestos extremadamente polares se requiere
mezclas tales como: Butanol, Acido Acético y agua, para lograr la elusión de
los mismos. La técnica empleada para determinar el sistema de eluentes
consistió en colocar varias manchas de la muestra en una placa a distancias
prudenciales; se ensayan las diferentes mezclas de solventes aplicándolas en
los centros de las manchas por medio de un capilar fino, las manchas se
desarrollan radialmente y se observa cual mezcla de solventes produce una
mejor separación. Los sistemas de eluentes utilizados para este ensayo fueron:
Butanol:EtOH:Agua (20:5,5:9,5) v/v; Butanol:Piridina:Agua (9:5:4) v/v,
Butanol:Acido acetico:Agua (20:5.5:8.5) v/v 2-Propanol:Piridina:Agua (7:7:5)
v/v, Butanol:Acido acetico:Eter:Agua (9:6:3:1) v/v
Las muestras analizadas fueron la 6 y la 7 debido a que presentaron un grado
Brix superior al de las muestras 1 a 5, se escogió un sistema de eluente:
Butanol:Acido acetico:Agua (20:5.5:8.5) v/v ya que fue el que mejor separación
radial dio al desarrollar la técnica descrita para la elección del solvente; las
muestra 6 -7 se compararon con patrones de Glucosa, Sacarosa, fructosa,
Maltosa, Manosa (ver anexo 1 y 2)
Al comparar los Rf de las muestras 6 y 7 con los patrones se pudo observar
que la muestra esta compuesta por diferentes carbohidratos siendo la glucosa
el compuesto mayoritario al tener el mismo valor para su movilidad relativa.
TABLA 14. Rf para la muestra 6 en comparación con los patrones de carbohidratos
Muestra 6 Glucosa Sacarosa Fructosa Maltosa Manosa
Rf 0.46 0.46 0.30 0.41 0.33 0.51
52
TABLA 15 Rf para la muestra 7 en comparación con los patrones de carbohidratos
5.9 Análisis de la fermentación
La muestra 5 no fue monitoreada durante la fermentación, ya que el brix inicial
fue pequeño y se creyó que el tiempo de fermentación seria muy similar al de
las muestra 1 – 4; por lo tanto se podía prever el punto final, al observar un
descenso en las burbujas producidas durante la fermentación por
desprendimiento de CO2.
Después de los resultados obtenidos para la muestra 5, se dio inicio al
monitoreo de la fermentación para las muestra 6-7 midiendo el pH, la Densidad
y lo grados brix; de esta manera se mejoro el proceso y se pudo determinar
claramente el punto final de la fermentación que ocurre cuando la densidad es
constante en cada medición
Muestra 6
TABLA 16 Monitoreo de la fermentación para la muestra 6
Muestra 7 Glucosa Sacarosa Fructosa Maltosa Manosa
Rf 0.475 0.475 0.313 0.425 0.338 0.5
Tiempo (horas) Brix pH Densidad (g/ml)
0.0 11 6.1 1.0572
24 10 6.0 1.0706
43 9.0 5.9 1.0676
72 8.0 5.9 1.0652
96 7.0 5.9 1.0634
113 6.0 5.9 1.0631
53
Muestra 7
TABLA 17 Monitoreo de la fermentación para la muestra 7
5.9.1 Análisis físicos de las muestras 5 -7
Para iniciar la fermentación fue necesario neutralizar cada una de las muestras
de jugo, ya que estas se encontraban acidas.
El tiempo de fermentación para cada muestra fue diferente, debido a la
cantidad de azucares fermentables que se encontraban en cada una, el tiempo
estimado para realizar la fermentación dependió del monitoreo que se le realizo
al proceso midiendo la densidad, el pH y los grados Brix, hasta que se
mantuvieran constantes.
Tiempo (horas) Brix pH Densidad (g/ml)
0.0 11 6.2 1.0410
21 9.0 6.1 1.0273
25 8.0 6.1 1.0213
42 7.0 6.1 1.0270
46 7.0 5.9 1.0211
49 7.0 5.9 1.0239
69 7.0 5.8 1.0253
139 7.0 5.7 1.0262
159 6.0 5.6 1.0223
174 6.0 5.6 1.0226
54
TABLA 18. Resultados del análisis físico de las muestras 5-7 en la fermentación
5.9.2 Análisis químicos de las muestras 5 -7
Los porcentajes de etanol obtenidos mejoraron considerablemente con
respecto a las 4 primeras muestras lo que significa que las condiciones para el
tratamiento inicial y el tiempo de corte de la muestra influyen en la calidad del
proceso, ya que la muestra 6 fue cortado en época de lluvias y su contenido de
agua era mayor, las muestras 5 y 7 aunque no mostraron valores muy altos
para el porcentaje de etanol si confirmaron que el mejoramiento en el control de
las variables del proceso mejora la eficiencia del mismo.
Para los otros análisis realizados los valores fueron disminuyendo conforme se
esperaba, mostrando que la mayoría de azucares reductores fueron
convertidos a alcohol y aunque la fermentación no es un proceso estéril y
puede ser fácilmente atacado por otras bacterias, en este caso fue muy buena
y esto se vio reflejado al final del procedimiento.
Muestra Volumen
inicial
Brix
inicial
pH
inicial
Brix
final
pH
final
Volumen de células
sedimentadas
5 1.4L 6.0 6.1 4.0 5.4 3.7ml
6 2.L 11.0 6.1 6.0 5.9 5.7ml
7 2.7L 11.0 6.2 6.0 5.6 5.3ml
55
TABLA 19. Resultados de análisis químico os de las muestras 5 – 7 en la fermentación
5.10 ANÁLISIS DEL ALCOHOL
5.10.1 Evaporación y Destilación
La muestra 6 fue la que mejor resultado dió, (26%), y aunque las muestra 5 y 7
no mostraron un alto porcentaje, si mejoraron con respecto a las cuatro
muestra anteriores así como su volumen final
TABLA 20. Resultados de la evaporación de las muestra 5 – 7
Muestra Azucares
residuales en el
mosto fermentado
Contenido de etanol en el
mosto fermentado usando
densímetro a 15ºC
Acides volátil
(g Ac.Ac/100g de
jugo)
Contenido de
amino nitrógeno
libre
5 2.11% 4.2% 0.85 0.17
6 1.35% 25.7% 0.23 0.06
7 1.00% 5.1% 0.45 0.13
Muestra Volumen inicial Volumen final Densidad % de etanol 25C
5 1.4L 1.313L 0.99521 1.0%
6 2.0L 165ml 0.96483 21%
7 2.7L 1.225L 0.99179 2.5%
56
TABLA 21. Resultados de la destilación de las muestra 5 - 7
5.10.2 Análisis por cromatografía de gases y espectro infra-rojo
Este ensayo se realizó para las muestra 6 y 7 ya que ambas fueron las que
mejores resultados mostraron a lo largo del proyecto.
Las muestras inyectadas revelaron que en el producto final solo había
presencia de etanol, al compararlo con patrones de alcoholes primarios como
metanol, etanol, propanol y butanol. (Ver anexo 4 y 5)
Condiciones del cromatografo de gases
Detector de ionizacion de llama
Gas de arrastre a vapor Helio
Temperatura inicial: 50ºC
Temperatura final: 132ºC
Para realizar el análisis se inyectaron las muestras de los patrones de acuerdo
con su punto de ebullición, siendo primero el Metanol (64.7ºC), Etanol (78.4ºC),
Propanol (97.8ºC) y Butanol (117.5ºC).
Muestra Volumen inicial Volumen final Densidad % de etanol 25C
5 1.313L 311ml 0.98784 3.9%
6 165ml 115ml 0.95738 26%
7 1.225L 527ml 0.98829 5.0%
57
Muestra 6
Grafica 1. Cromatografía de gases de la muestra 6 etanol – agua al 26%
Muestra 7
Grafica 2. Cromatografía de la muestra 7 de etanol – agua al 5 %
Al realizar la comparación de las muestras 6 y 7 con los patrones se logró
determinar que se trataba de etanol, sin embargo, no se podía estar
58
completamente seguros ya que no se presento la señal de un pico base que
permitiera hallar los tiempos de retención para cada patrón y luego compararlos
con los de las muestras 6 y 7. Por lo tanto, se realizo el espectro IR para cada
muestra y de esta manera se pudo confirmar que se trataba de etanol. (ver
anexo 7 y 8).
Para la muestra 5 aunque no se pudo conseguir el espectro por cromatografía
de gases, si se logro efectuar el espectro IR; no obstante este análisis se hace
para compuestos puros, sin embargo se aplico a las muestras obtenidas y se
compararon con patrones a las mismas concentraciones (3.9%, 5.0%, 26%)
dando como resultado para todas las muestras las siguientes bandas
características.
Registran una banda ancha e intensa hacia los 3300 cm-1 y 1400 cm-1 típica de
la tensión de O-H en moléculas asociadas por enlace de hidrógeno, la tensión
del O-H libre (en disoluciones muy acuosas) da lugar a una banda muy fina
hacia 3600 cm-1 que se ensancha y se desplaza hacia frecuencias menores,
cuanto mas fuerte sea la asociación por enlace de hidrógeno;
El grupo funcional C-OH da lugar a otras bandas características hacia los 1050
cm-1.
La tensión C-O típica de alcoholes primarios hacia 700 cm-1. y 1400 cm-1 de
flexiones O-H; otras bandas de la cadena hidrocarbonada de 2800 cm-1.a 3000
cm-1 tensión C-H del grupo CH2-CH3, aunque estas bandas no se pueden
apreciar muy bien pues la muestra esta muy diluida, sin embargo a medida que
aumenta la concentración de las muestra mejor se podían diferenciar las
bandas.
A 1460 cm-1 flexiones de grupos CH2 y CH3 a 1350 cm-1 flexión simétrica del
grupo CH3, estas ultimas dos bandas no están muy marcadas por la
superposición de las bandas de flexión O-H hacia 400 cm-1 y 700 cm-1.
En resumen los tres espectros IR mostraron el mismo tipo de bandas pero con
diferente intensidad y un poco mas corridas, de lo que se encuentra para el
59
espectro de etanol concentrado, esto quizás se deba a la dilución de las
muestras o a las interferencias encontradas por el equipo al realizar el análisis.
5.11 EFICIENCIA DEL PROCESO
Por cada 100g de Renuevo de Guadua hay entre 2 y 4 gramos de glucosa
Eficiencia en el evaporador (E.F.E)
Eficiencia en el destilador (E.F.D)
Eficiencia en total del proceso (E.F.P)
60
TABLA 22. Eficiencia del proceso de las muestra 5 - 7
Muestra Masa
glucosa
Masa
sacarosa
Etanol
teórico
Etanol
experimental
en
evaporación
Etanol
experimental
en
destilación
E.F.E E.F.D E.F.P
5 66g 62.7g 33.7g 13.1g 11.98g 38.7% 91.7% 35.5%
6 66g 62.7g 33.7g 33.4g 28.6g 99.1% 85.6% 84.9%
7 69g 65.5g 35.3g 30.3g 26.1g 86.1% 85.7% 73.8%
61
CONCLUSIONES
� El objetivo principal del proyecto se cumplió satisfactoriamente al demostrar
que es posible obtener etanol a partir de renuevos de guadua y la pureza
de este dependerá de la época o estado del tiempo de corte así como
también del tratamiento que se le de a la muestra durante todo el proceso.
� El mejor método para la obtención del etanol es realizando una hidrólisis
acida en autoclave a presión constante, monitoreando y controlando el
proceso de fermentación pues en esta etapa se produce el alcohol que se
ha de recuperar por medio de operaciones unitarias.
� Algunos de los carbohidratos presentes en los renuevos de guadua se
encuentran en forma de azucares reductores como glucosa, sacarosa,
fructosa, manosa, maltosa, siendo el componente mayoritario la glucosa
cuyo Rf = 0.4 es igual al Rf de las muestras 6 y 7, y la cantidad varia entre
72g y 66g dependiendo del peso total del renuevo; la sacarosa también se
encuentra en gran cantidad alrededor de 68g a 62g aunque el Rf = 0.3 una
unidad menor que el de la glucosa con respecto a la muestra.
� Los análisis fisicoquímicos realizados, durante todas las etapas de proceso
sirvieron como base para determinar algunas propiedades de los
carbohidratos y como estos reaccionan mediante una fermentación así
como el mejoramiento de las condiciones para las muestras siguientes
� La cromatografía de gases sirvió para identificar que tipo de alcohol se
encontraba presente en las muestra, dando como resultado la presencia de
etanol; los espectros I.R confirman que realmente las muestras se
componían de una mezcla etanol – agua.
62
� En la muestra numero 6 se obtuvo un porcentaje de etanol del 26%, con
una eficiencia del 87.88% y aunque en la muestra numero 7 el porcentaje
de etanol no fue muy significativo (5.0%), la eficiencia del proceso si lo fue
con un 73.83%; esto se debe a q los gramos de etanol presentes después
de la destilación son muy cercanos a los gramos de etanol teóricos
encontrados para cada renuevo pero en un volumen mayor de agua, lo que
ocasiona un porcentaje de etanol bajo y una alta eficiencia en el proceso.
63
RECOMENDACIONES
� Para obtener mejores resultados se debe tener en cuenta el estado del
tiempo antes y durante el proceso de corte del renuevo así como aumentar
el tiempo de hidrólisis.
� para la etapa de fermentación seria mejor preparar un inoculo que contenga
la levadura para que el desarrollo de la fermentación sea mas rápido y
mejor.
� Controlar y monitorear con intervalos de tiempo más cortos el proceso de
fermentación, con el fin de mantener estables las condiciones del pH para
esta etapa y conocer exactamente cual es el punto final de la fermentación.
� Realizar un análisis microbiológico antes, durante y después de la
fermentación para controlar el crecimiento de bacterias o levaduras salvajes
que impiden en la mayoría de los casos que la fermentación sea completa.
� Estudiar la viabilidad de obtener etanol a partir de renuevos de guadua por
medio enzimático.
64
ANEXOS
Anexo 1
Figura 16. Cromatografía en capa fina para la muestra 6
M = muestra 6
1 = fructosa
2 = sacarosa
3 = manosa
4 = glucosa
5 = maltosa
65
Anexo 2
Figura 17. Cromatografía en capa fina para muestra 7
M = muestra
1 = glucosa
2 = sacarosa
3 = fructosa
4 = manosa
5 = maltosa
66
Anexo 3.
Grafica 3. Patrón de cromatografía de gases
67
Anexo 4
Grafica 4. Comparación del espectro de patrones de cromatografía de gases
con la muestra 6
68
Anexo 5
Grafica 5 comparación del espectro de patrones de cromatografía de gases
con la muestra 7
69
Anexo 6
Grafica 6. Espectro Infra-rojo del etanol 3.9% obtenido en la muestra 5
70
Anexo 7
Grafica 7. Espectro Infra-rojo del etanol 5.0% obtenido en la muestra 7
71
Anexo 8
Grafica 8. Espectro Infra-rojo del etanol 26% obtenido en la muestra 6
72
BIBLIOGRAFIA
[1]. SALAZAR, Contreras Jaime; DIAS, Gustavo. Inmunización de la guadua.
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