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UNIVERSIDAD LATINOAMERICANA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL ESPECIALIDAD INDUSTRIAL I

Caracterización de la vaina de frijol como biomasa para la producción de biocombustibles

Yeslin Otárola Coto yotarolac854@ulacit.ed.cr

Montserrat Rivera Castillo mriverac865@ulacit.ed.cr

San José, Costa Rica, 2019

1. RESUMEN La vaina de frijol es un residuo agrícola producido a

diario en Costa Rica, el cual no es aprovechado correctamente y simplemente se desecha, ante esta situación surge la interrogante de cómo brindarle un mejor uso y que este deje de ser un residuo. Con la situación expuesta previamente se realiza una revisión bibliográfica sobre esta biomasa y se propone el uso de la vaina de frijol para la elaboración de etanol y biogás. Al realizar una caracterización mediante normas ASTM a la vaina de frijol, se obtiene que esta contiene azúcares reductores lo cual la convierte en una biomasa de segunda generación apta y en estudio para la elaboración de etanol. Además, con la prueba de humedad realizada, se obtiene que la vaina de frijol es húmeda al contener un 15% de humedad por cada 11 gramos, haciendo óptima esta biomasa para la producción de biogás. Por otra parte, al realizar la prueba de cenizas, se obtiene un resultado de 10% por cada gramo las cuales representan una pequeña cantidad, lo cual indica que la biomasa es apta para realizar una gasificación. Debido a faltante de equipo en el laboratorio, únicamente se realiza el pretratamiento de la vaina del frijol y una fermentación para la obtención de etanol por destilación. Para la hidrólisis y la fermentación se obtiene que la mejor muestra de cinco realizadas corresponde a la de mayor concentración de ácido la cual es de 30%, en esta muestra se da la mejor obtención de azúcares fermentables y la que más se fermenta esto sin afectar el pH de la muestra que corresponde a un valor de 7. Por ende, se determina que las pruebas y procesos realizados son factibles y además, la vaina del frijol sí se puede considerar como una fuente de energía.

2. PALABRAS CLAVES

Biomasa, biocombustible, caracterización, etanol, fermentación, hidrólisis ácida, pretratamiento, vaina de frijol.

3. ABSTRACT

The bean pod is an agricultural residue produced daily in Costa Rica, which is not used properly and is simply

discarded, given this situation the question arises of how to give it a better use and that this ceases to be a residue. With the situation described above, a bibliographic review of this biomass is carried out and the use of the bean pod for the production of ethanol and biogas is proposed. When characterizing by means of ASTM standards to the bean pod, it is obtained that it contains reducing sugars which makes it a suitable second generation biomass and under study for the elaboration of ethanol. In addition, with the moisture test performed, it is obtained that the bean pod is moist by containing 15% moisture per 11 grams, making this biomass optimal for biogas production. On the other hand, when performing the ash test, a result of 10% is obtained for each gram, which represents a small amount, which indicates that the biomass is suitable for gasification. Due to the lack of equipment in the laboratory, only the pre-treatment of the bean pod and a fermentation to obtain ethanol by distillation is carried out. For hydrolysis and fermentation it is obtained that the best sample of five carried out corresponds to the one with the highest concentration of acid which is 30%, in this sample the best fermentable sugars are obtained and the one that is most fermented without affecting the pH of the sample that corresponds to a value of 7. Therefore, it is determined that the tests and processes carried out are feasible and in addition, the bean pod can be considered as a source of energy.

4. KEYWORDS

Acid hydrolysis, bean pod, biofuel, biomass, characterization, ethanol, fermentation, pretreatment.

5. INTRODUCCIÓN El frijol es uno de los cultivos más viejos del nuevo

mundo, y el de mayor consumo a nivel mundial. Es un producto fundamental en la canasta básica alimentaria de los costarricenses debido a que es consumido por un alto porcentaje de la población. En donde, se conoce que el consumo anual de frijoles en el país ronda las 40.000 toneladas. Antes del año 1995 estas eran abastecidas en su totalidad por productores nacionales, siendo la Zona

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Norte la más importante con un aporte del 72.85%. (Porras, Vallejos y Villegas, 2007, p. 8).

Dentro de la agricultura, el cultivo de frijol es una

actividad altamente permeable, en donde tanto productores como comercializadores entran y salen del negocio con facilidad, esto se debe a que existen fluctuaciones de precios de los productos así como, por la ausencia de una verdadera organización de los productores a nivel distrital, cantonal o regional, dejando que se les perjudique bastante desde las leyes o regulaciones elaboradas por el gobierno respecto a aranceles, disposición de terrenos y en este caso un aprovechamiento correcto de los recursos para así poder sacarles más provecho.

En Costa Rica, al ser un país dedicado a actividades

agropecuarias, se generan grandes cantidades de desechos derivados de estas actividades, y los cuales no son utilizados de manera correcta ni mucho menos se les da otro uso, sino que simplemente son desechados. Así mismo, sucede que la mayoría de estos residuos biomásicos que son generados en el país no están debidamente caracterizados ni estudiados y sus propiedades químicas, calóricas y energéticas no son conocidas, desaprovechando todo aquello que pueden brindar para la generación de energía.

Por esta razones, a lo largo del artículo se desarrolla

un investigación de la vaina del frijol. Se busca darle un uso al residuo de su cosecha, ya que, como se mencionó anteriormente es uno de los cultivos que más se consumen en el país; además es importante comenzar a crear conciencia a nivel país de los residuos que no se están aprovechando y con los cuales se puede trabajar para crear alternativas a los combustibles fósiles.

Al caracterizar la vaina del frijol podemos obtener

diversa información como el porcentaje de humedad, el porcentaje de ceniza, la capacidad calórica, entre otros; y así poder indicar en cual uso sería mejor, por ejemplo en bioetanol o biogás. También al crear esta investigación se busca demostrar que se puede trabajar con la materia que se tiene al alcance y que no solo la investigación de nuevas alternativas depende de las grandes compañías.

6. MARCO TEÓRICO

6.1. BIOMASAS LIGNOCELULÓSICAS

Antes de reconocer una biomasa lignocelulósica, es importante conocer lo que se conoce por biomasa. Según los autores De Lucas, Del Peso, Rodríguez y Prieto (s.f.), biomasa se define como aquella fracción biodegradable de productos, desechos y residuos de origen biológico procedentes de actividades agrarias, la silvicultura e industrias conexas, de la misma manera como la fracción biológica degradable de los residuos industriales (p. I-4). Entonces, con la anterior se sabe que todo residuo biológico y que sea biodegradable es una biomasa, pero que parte de ese término corresponde a una biomasa lignocelulósica, a este subgrupo pertenecen las biomasas que contiene polisacáridos como la celulos, hemicelulosa y lignina dentro de su composición química.

Las biomasas lignocelulósicas comprender ser el

material orgánico más abundante en la tierra por sus

diversas fuentes de obtención tales como bosques, cultivos agrícolas, residuos de cosechas y otros residuos industriales. Estas biomasas tienen la ventaja de ser biodegradables, y renovables, siendo el resultado del proceso de fotosíntesis de los vegetales mediante la energía solar. Es por esto que, su uso como combustibles representa una forma sostenible y amigable con el medio ambiente por el aprovechamiento de la energía solar, disminuyendo las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación a los combustibles fósiles (Abril, 2010, p.16).

6.2. VAINA DE FRIJOL COMO BIOMASA EN LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES

El frijol común o por su nombre científico Phaseulos Vulgaris L, corresponde a un cultivo originario de América, el cual a nivel nacional es producido mayoritariamente en la zona norte del país, posee ciertos residuos los cuales no son utilizados ni aprovechados, dentro de ellos están las vainas que contienen el frijol. Este residuo comprende ser una biomasa lignocelulósica y de segunda generación con el cual es posible la obtención de biocombustibles, tales como bioetanol mayoritariamente y biogás. En la figura 1, se muestra la morfología a nivel de la vaina y semilla del frijol.

Figura 1. Morfología de la vaina y la semilla del frijol.

Fuente: Valladares, 2010.

Por otra parte, en la agricultura para la obtención del

frijol, se poseen dos fases, la primera comprende ser una fase vegetativa y de la formación de las raíces y el tallo, y la fase reproductiva en esta fase se da la formación de la flor, posteriormente la vaina y por último la obtención del frijol, siendo de interés esa última fase (Fernández, Gepts y López, s.f.).

6.2.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA

La vaina del frijol al no poseer variaciones entre sí, es decir, no existen tipos de vainas, sino por el contrario tipos de frijol la composición química de estas es similar, motivo por el cual, en el cuadro 1 se muestra la composición química de la vaina del frijol.

Cuadro 1. Composición química de la vaina del frijol.

Composición química Porcentaje (%) o contenido

3

Agua en semillas 15%

Hidratos de carbono Almidón

Proteínas 20%

Ácidos Grasos insaturados

Vitaminas Complejo B, riboflavina, niacina y ácido pantoténico.

Minerales Potasio, fósforo, hierro, calcio, cobre, zinc y magnesio.

Fibras Pectina, pentosanos, hemicelulosa, celulosa y

lignina.

Elaboración propia

6.2.2. REQUERIMIENTOS PARA SU DESARROLLO

Para obtener una buena cosecha de frijol y por ende residuos de la misma para ser utilizados en la producción de biocombustibles, es necesario que existan ciertos criterios o parámetros, atmosféricos, de suelos y condiciones en general. Dentro de esos parámetros y condiciones descritos por Porras, et.al (2007) están el manejo adecuado de la temperatura, rangos entre los 18ºC y 24ºC, precipitaciones entre los 500 y 2300 mm anuales y entre 300 y 400 mm de agua durante su ciclo, considerar una profundidad de 50 cm en el suelo, y que este posea un pH entre 5.8 a 6.5 para obtener un óptimo desarrollo y rendimiento del cultivo.

6.3. PRUEBAS PARA CARACTERIZAR LA BIOMASA Y PRETRATAMIENTOS

Las biomasas están constituidas por un gran conjunto de diversos materiales los cuales son provenientes de diferentes orígenes, estos materiales le brindan a las biomasas sus características. Existen diversos tipo de biomasas, una manera de clasificarlas es por medio de su origen. Cuadro 2. Clasificación de los biocombustibles según origen.

Origen Especies

Cultivos energéticos

Agrícolas Cardo, sorgo,

girasol, soja, maíz, etc.

Forestales Chopos, sauces,

eucaliptos, robinias, etc.

Restos de tratamientos

silvícolas

Podas, claras, clareos, restos

de cortas finales

Especies forestales de los

montes.

Restos de industrias forestales

Industria de primera

transformación de la madera

Especies de madera española o importada utilizada por las industrias.

Industrias de segunda

transformación de la madera

Especies de madera española o importada utilizada por las industrias.

Fuente: Belén, Rodríguez. S.f.

Al observar la información del cuadro anterior se

puede determinar que la vaina de frijol se puede clasificar como un cultivo energético, agrícola sin ser necesariamente una biomasa de primera generación, esto es debido a que en la investigación se utiliza únicamente la vaina y no el frijol.

Los procesos que se llevarán a cabo para caracterizar

la vaina de frijol son los siguientes: Cuadro 3. Pruebas para caracterizar la vaina del frijol.

Tipo de Prueba Norma

Humedad ASTM E871-82

Determinación de compuestos químicos

TAPPI T-264

Cenizas ASTM E1-755

Contenido de materias volátiles

ASTM E872-82

Carbono fijo

Relación entre el porcentaje de humedad, cenizas y componentes

volátiles

Presencia de carbohidratos

Prueba con reactivo Benedict

Elaboración propia

Una vez obtenida la información de las pruebas que

se realizarán para la caracterización de la biomasa se determinará el uso indicado que se le puede dar en la producción de biocombustibles, ya que, dependiendo de las características este material se puede determinar que tipo de biocombustibles es mejor fabricar con él.

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Adicionalmente, como se está trabajando con una biomasa lignocelulósica, esta posee celulosa, hemicelulosa y lignocelulosa, las primeras dos pueden ser convertidas a azúcares simples mediante una hidrólisis. Sin embargo, la lignocelulosa al ser un polifenol no se llega a fermentar en etanol, pero posee lignina y esta puede ser aprovechada para la generación de energía. Es así como, el pretratamiento adecuado para esta biomasa es una hidrólisis ácida para llegar a la fermentación de etanol, además se debe realizar una extracción para la obtención de la lignina procedente de la lignocelulosa.

6.4. BIOCOMBUSTIBLES

Denominar como biocombustibles a una parte

específica de combustibles, se debe a que estos son producto de la transformación de biomasas es decir, materia orgánica originada por un proceso biológico de organismos vivos (Salinas y Gasca, 2009, p. 76). A su vez, los biocombustibles son capaces de sustituir a los combustibles fósiles que se utilizan en la actualidad generando un menor impacto a nivel ambiental y social.

Poder determinar el tipo de biocombustible u otro

producto que se pueda obtener al caracterizar y tratar una biomasa depende del origen de la misma, así como se puede observar en el cuadro 2. Esto significa que, si la biomasa contiene alta triglicéridos es más factible obtener biodiesel o un biolubricante. Por otra parte, si se posee una biomasa con alto porcentaje de celulosa, lignina y hemicelulosa, los más probable es que de esta se pueda obtener biogás o bioetanol. Según lo anterior, se puede decir que mediante la vaina de frijol lo que se obtendrá como biocombustible compre ser bioetanol y biogás. Es por eso que estos se definen a continuación.

6.4.1. BIOETANOL

Los bioalcoholes, son alcoholes de origen organico. Estan formados por dos tipos fundamentales: el etanol y el metanol. El etanol presenta mejores expectativas enlo que se refiere a la utilizacion, al primero se le conoce como bioetanol. El etanol se fabrica siguiendo un proceso similar al de la cerveza. La materia prima es muy variada: cereales (maiz, trigo y cebada), tuberculos (yuca, camote, patata y malanga), celulosa (madera y residuos agricolas), y sacarosa (remolacha, cana de azucar, melaza y sorgo dulce). Estos compuestos energeticos se transforman en azucares, y a continuacion se convierten en etanol por medio de la fermentacion alcoholica. Se emplea en mezclas con gasolina convencional para sustituirla como carburante en mayores o en menores proporciones; no substituye totalmente a la gasolina, ya que esta le da a la mezcla estabilidad y resta volatilidad, lo que facilita su uso cotidiano, su almacenamiento y su transporte. Las mezclas pueden ser de E5, E10, E20 y hasta E95, indicando en numero el porcentaje de etanol empleado en la mezcla: en la medida que aumenta el contenido de etanol, en la mezcla se reduce el impacto contaminante, especialmente porque libera menos monoxido de carbono. Las mezclascon mayor contenido de etanol requieren modificar eldiseno de los automoviles (Salinas, E y Gasca, V. 2009).

6.4.2. BIOGÁS

El biogás comprende una mezcla que contiene metano y otros gases, los cuales se desprende durante la degradación anaerobia de materia orgánica, esto por la acción de microorganismos. El biogás, se obtiene de dos maneras, una mediante un digestor y la otra es canalizándolo directamente en un vertedero el cual debe estar controlado. El biogás que se produce de estos métodos se emplea tanto para la generación de calor por combustión y para la generación de energía mecánica o eléctrica, energía utilizada mismas plantas donde se genera (Ganduglia, 2009, p.34).

6.5. PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL BIOETANOL El bioetanol se obtiene a partir de biomasas ricas en azúcares, principalmente se pueden utilizar tres familias de productos para su producción: azúcares de, cereales mediantes la fermentación de los azúcares de almidón o biomasas con azúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa. El proceso de fabricación se da por las siguientes fases :

● Dilución: Se le agrega agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla.

● Conversión: Se da el proceso de convertir el almidón (celulosa) en azúcares fermentables.

● Fermentación: La fermentación es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras.

● Destilación: La destilación se da por medio de calor para separar la mezcla.

6.6. PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL BIOGÁS

Según Ganduglia (2009) hay dos formas de producir biogás, una por medio de un digestor y la otra en un vertedero controlado. Para el proceso con el digestor la temperatura del digestor se mantiene a unos 50°C, para lograr un pH entre 6,2 y 8, favoreciendo la actividad de los microorganismos. Con esto, surge la degradación bioquímica, que dura entre 10 y 25 días, se divide en cuatro fases: la hidrólisis, acidogénesis, la acetogénesis, y la metanogénesis (p.34).

Ahora bien, en la hidrólisis, las bacterias actúan sobre

las macromoléculas orgánicas formando monómeros, transformándose en cadenas más cortas y simples liberando hidrógeno y dióxido de carbono. En la acidogénica, las bacterias acidogénicas se encargan de transformar los compuestos solubles provenientes de la etapa anterior, en ácidos grasos de cadena corta como alcoholes, amoníaco, hidrógeno y dióxido de carbono. En la tercera fase, la acetogénica como no todos los productos de pueden fermentar, a través de bacterias acetogénicas, se logran transformar en productos más sencillos como por ejemplo el ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. Por último, en la fase metanogénica, actúan las bacterias anaeróbicas estrictas, las cuales son responsables de transformar el ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono en metano y dióxido de carbono. Todo el proceso descrito anteriormente, se puede ver en la figura 3 (Graiño y Moscovitz, 2014, p.18-19).

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Figura 3. Proceso de producción de biogás.

Fuente: Graiño y Moscovitz, 2014, p.15.

7. JUSTIFICACIÓN

El frijol comprende ser una legumbre originaria de América, específicamente en el sur y el centro, esta legumbre es consumida a diario en Costa Rica casi en todos los tiempos de comida. La producción del mismo es en gran cantidad en todo el territorio nacional, esa producción comprende variedades que van desde el frijol rojo o negro hasta otras variedades utilizadas en diversas preparaciones de alimentos. Además, según Rivera y Rodríguez (2013) la agricultura en general produce cantidades considerables de desechos denominados como rastrojos y estima que, en cuanto a desechos de campo, el porcentaje es más del 60%, y en desechos de proceso, entre 20% y 40%, los cuales no son utilizados de otra manera más que realizar compostaje.

Por otra parte, los residuos que se generan de las

actividades agropecuarias tan sólo en el territorio nacional podrían utilizarse para generar 205 millones de metros cúbicos estándar de biogás al año (Rivera y Rodríguez, 2013, pág:8). Mediante un estudio realizado en la Universidad de Costa Rica menciona que la pectina presente en en la composición de la vaina de frijol, es fermentable en un 85% aproximadamente, mientras que la celulosa lo es en casi un 60%, al conocer esto es posible saber la factibilidad que se posee para así llegar a producir bioetanol o biogás mediante la vaina del frijol (Bonilla y Víquez, 2000, pág:16).

8. OBJETIVOS

8.1. OBJETIVO GENERAL

● Evaluar la vaina del frijol (Phaseolus Vulgaris L)

como biomasa para la producción de biocombustibles de segunda generación.

8.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

● Realizar una revisión bibliográfica sobre la utilización de la vaina del frijol (Phaseolus Vulgaris L) como biomasa.

● Caracterizar mediante análisis físico-químicos la vaina del frijol (Phaseolus Vulgaris L).

● Determinar la factibilidad de la vaina del frijol (Phaseulos Vulgaris L) para la producción de biocombustibles de segunda generación.

9. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

9.1. CARACTERIZACIÓN DE LA VAINA DE FRIJOL

9.1.1. MATERIALES E INSTRUMENTACIÓN

Para las pruebas de caracterización de la vaina de frijol se requieren los reactivos que se mencionan a continuación, la biomasa (vaina de frijol) en partículas lo más pequeñas posibles, reactivo Benedict y agua. La instrumentación y equipo necesarios son: una mufla, nueve crisoles, un beaker de un litro, cucharas, espátulas, un mechero bunsen, una malla de asbesto, pinzas, una balanza, tubos de ensayo, probetas, beakers de entre 25 a 50 ml y un cronómetro.

9.1.2. MÉTODOS

Para determinar el porcentaje de humedad de la biomasa en este caso vaina de frijol, se utiliza la norma ASTM E871-82, la cual indica que se deja la biomasa en una cama con un espesor no menor a 1 mm, esto en condiciones de 45 °C por un período de 4 días. En donde, el material se considera seco cuando el cambio en la masa es menor de 1%.

Para el caso de determinar las cenizas de la biomasa

se hace uso de la norma ASTM E1-755, procedimiento que menciona que los residuos obtenidos después de realizar un proceso de oxidación de 1g de biomasa seca a 575 °C (±25 °C) por un período de tres horas en una mufla, representan las cenizas de esa biomasa.

Adicionalmente, para determinar el contenido de

materias volátiles se recurre a la norma ASTM E872-82, norma con la cual por medio de la cuantificación de la pérdida de peso por el calentamiento de 1 g de biomasa, esto bajo condiciones controladas de 950 °C (±20 °C) por un período de 7 minutos en una mufla, se obtiene ese porcentaje por diferencia de peso.

Por otra parte, la determinación del carbono fijo se

realiza mediante una relación en la que a el valor de 1 se le restan los porcentajes obtenidos de humedad, cenizas y contenido de materias volátiles.

Por último, para determinar la presencia de

carbohidratos se realiza una prueba con el reactivo Benedict, para llevar a cabo esta prueba es necesario colocar en un tubo de ensayo 2 mL de la biomasa (lo más acuosa posible) y se le agregue 2 mL de reactivo Benedict a cada tubo de ensayo, se agita y se observa su color inicial su color inicial, se coloca el tubo de ensayo en un baño maría y se calienta por 5 minutos, y se observa el color final, si este es naranja o rojizo presenta gran cantidad de azúcares reductores.

Es importante definir que todas las pruebas descritas

previamente, se realizarán por triplicado.

9.1.3. DIAGRAMA DEL EQUIPO

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Figura 4. Mufla Faithful. Fuente: Alibaba.com, s.f.

9.2. PRETRATAMIENTO DE LA VAINA DE FRIJOL

9.2.1. MATERIALES E INSTRUMENTACIÓN

Dentro de los reactivos necesarios para realizar una hidrólisis ácida a una biomasa lignocelulósica, en este caso la vaina de frijol, es necesaria una disolución de ácido sulfúrico a 0,5%, otra a 1% y otra a 1,5%, así como una disolución de ácido sulfúrico concentrado a 10% y 30%, hielo, ácido 3,5.dinitrosalicílico, glucosa, reactivo de Benedict y una cantidad suficiente de la biomasa (vaina de frijol) para cada muestra requerida en cada prueba. Además, para llevar a cabo esta hidrólisis ácida se requiere mechero bunsen, malla de asbesto, beakers de un litro, 400 ml, 250 ml, 50 ml; embudos, papel filtro, mortero, tijeras, balanza, pinzas, agitador de vidrio, probetas, cucharas, tubos de ensayo, un espectrofotómetro, un balón, el equipo de destilación, un termómetro, erlenmeyer y un embudo de decantación.

9.2.2. MÉTODOS

Para realizar la hidrólisis ácida a la vaina de frijol se realiza la misma prueba cambiando los factores de tiempo y concentración. Inicialmente por medio de una ebullición a reflujo a presión atmosférica por un tiempo de 40 minutos se coloca en una relación líquido sólido de 30:10 una muestra de la biomasa con ácido sulfúrico a 0%, otra de la biomasa con ácido sulfúrico a 1% y otra de la biomasa con ácido sulfúrico a 1,5%. Adicionalmente, con la ebullición a reflujo a presión atmosférica y la misma relación de 30:10 solo que con un tiempo de 120 minutos y disoluciones concentradas se requieren muestras de la biomasa con ácido sulfúrico a 10%, otra de la biomasa con ácido sulfúrico a 30% y otra de la biomasa con ácido sulfúrico a 50%. Posteriormente, para detener la reacción en ambos casos se procede a realizar un enfriamiento rápido con hielo. Asimismo, se filtra la muestra que fue hidrolizada y se le ajusta el pH, y se guarda en refrigeración. Por último, para poder determinar la cantidad de azúcares reductores en las muestras hidrolizadas, se puede realizar por medio de la prueba con el reactivo de Benedict o mediante un espectrofotómetro. En esta última, mediante ácido 3,5-dinitrosalicílico (1 ml en 0,1 ml del hidrolizado) se calienta por 10 minutos y se deja enfriar a temperatura ambiente por 5 minutos, seguidamente, en el espectrofotómetro con una absorbancia de 579 nm utilizando la glucosa como el patrón de referencia, y así se determina el porcentaje de azúcares

reductores en el hidrolizado para su posterior fermentación en la obtención de bioetanol.

9.2.3. DIAGRAMA DEL EQUIPO

Figura 5. Espectrofotómetro UV-Vis.

Fuente: ThermoFisher Scientific, s.f.

Figura 6. Sistema de ebullición a reflujo a presión

atmosférica . Fuente: Aguado, s.f., p.3.

9.3. PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

9.3.1. MATERIALES E INSTRUMENTACIÓN

Para llevar a cabo una fermentación a pequeña escala, es decir, en un laboratorio, es necesario contar con los siguientes reactivos e instrumentación, se requiere un producto hidrolizado de la biomasa, filtrado y neutralizado y levadura. Además, es requerida una balanza, una espátula, un erlenmeyer de 125 ml, globos de una tamaño pequeño pero apropiado para lograr tapar la boca del erlenmeyer y un sistema de baño maría, así como un termómetro.

9.3.2. MÉTODOS ‘

Debido a que las muestras hidrolizadas obtenidas son de un poco volumen, en un erlenmeyer de 125 ml se requiere colocar 25 ml de una solución de glucosa o en este caso la biomasa hidrolizada, filtrada y neutraliza en conjunto con un gramo de levadura. Se procede a sellar el erlenmeyer con un globo en donde no se permite ni la entrada ni salida del aire, posterior a esto se marca el volumen inicial de la muestra y se deja en reposo por un tiempo prolongado que tiene un rango de 24 a 48 horas y se marca el volumen final transcurrido el tiempo. Asimismo,

7

se debe observar y analizar el desprendimiento de burbujas, el efecto en el globo y el olor que se produce y contiene el producto final. Adicionalmente, se filtra la muestra fermentada y así se logra la separación de la fase sólida (levadura) y fase líquida (azúcar y etanol), a la muestra filtrada se le realizan mediciones de pH y grados Brix y se destila para la obtención del etanol.

10. ANÁLISIS Y RESULTADOS

10.1. CARACTERIZACIÓN DE LA VAINA DE FRIJOL

Para la caracterización de la vaina de frijol se realizaron distintas pruebas las cual han sido mencionadas en puntos anteriores, a continuación se presentan los resultados obtenidos.

10.1.1 PRUEBA DE HUMEDAD En la prueba de humedad se colocó una cama de la biomasa con un espesor mayor a un 1 mm y de forma pareja sobre dos vidrio reloj, estos se colocaron en la mufla a 45°C por un periodo de 4 días.

Figura 7. Biomasa para la prueba de humedad antes de

entrar a la mufla. Elaboración propia

Figura 8. Biomasa después de haber estado 4 días a 45°C

en la mufla. Elaboración propia

Se tomó el peso de la biomasa antes y después de la

prueba y se obtuvieron los siguientes resultados:

Cuadro 4. Peso obtenido en la prueba de humedad, 2 corridas.

Corrida Biomasa seca (g)

1 1,4

2 1,8

Elaboración propia

El material se considera seco cuando el cambio en el

pesaje de la masa es menor al 1%, en el caso de la vaina de frijol el porcentaje de cambio fue de alrededor un 15% para cada corrida, por lo tanto la vaina de frijol es considerada como una biomasa húmeda.

10.1.2. PRUEBA CENIZAS

En la prueba de cenizas que pesaron en tres crisoles 1g de la vaina de frijol y se colocaron por 3 horas a 575 °C.

Figura 9. Cenizas de la vaina de frijol en crisoles.

Elaboración propia

Transcurrido el tiempo se dejaron enfriar los crisoles y

se pesaron las cenizas, dando como resultado:

Cuadro 5. Peso de la ceniza, 3 corridas.

Corrida Ceniza (g)

1 0,1

2 0,1

3 0,1

Elaboración propia

10.1.3. PRUEBA MATERIALES VOLÁTILES

En la prueba para la determinación de materiales volátiles en la vaina del frijol, se coloca en tres crisoles previamente pesados 1 g de la biomasa.

Figura 10. Biomasa para la prueba de volátiles.

Elaboración propia.

Los cuales son colocados en la mufla por 7 minutos a

950°C, después de que pasa ese tiempo se obtienen los siguientes resultados: Cuadro 6. Peso de la materia volátil en 3 corridas.

Corrida Materia volátil (g)

1 0,1

2 0,2

3 0,0

Elaboración propia

8

Según los resultados del cuadro 5 y al determinar el promedio de las tres corridas, se obtiene que el contenido de materias volátiles en la vaina de frijol es de 0,1 g por cada gramo de la misma.

Figura 11. Material volátil de la vaina de frijol.

Elaboración propia.

10.1.4. PRUEBA PRESENCIA DE CARBOHIDRATOS

La prueba de de la presencia de carbohidratos fue realizada por medio del reactivo benedict, a continuación se puede observar las imágenes del antes y el después haber sometido la disolución a calor.

Figura 12. Disolución de reactivo Benedict y vaina de frijol

antes y después de someterse a calor. Elaboración propia

Esta prueba se logra indicar la presencia de

carbohidratos en la biomasa a través de la tonalidad en la que se torna la disolución una vez haya sido calentada, en la siguiente imagen se puede observar la relación color-porcentaje de azúcares reductores.

Figura 13. Relación color-porcentaje de azúcares reductores.

Fuente: Briceño, s.f.

Al observar las dos imágenes anteriores podemos

determinar que el porcentaje de azúcares reductores presentes en la vaina de frijol es de 2.6-3.5%, esta cantidad puede ser aumentada si se somete la vaina a una proceso químico como la hidrólisis para descomponer los enlaces de los carbohidratos y así llegar de forma directo a la glucosa presente en la biomasa.

10.1.5. PRUEBA DETERMINACIÓN DE CARBONO FIJO

La determinación del carbono fijo corresponde a una

relación entre la humedad, las cenizas y las materias volátiles de la biomasa, para el caso de la vaina de frijol se logran determinar dichos porcentajes por lo cual se utiliza la siguiente ecuación para determinar el carbono fijo.

%CF=1-%humedad-%cenizas-%materias volátiles Ec. (1)

Con la ecuación 1 al sustituir los respectivos porcentajes obtenidos de las pruebas de caracterización se obtiene lo siguiente:

%CF=1-15%-10%-10%

%CF= 65%

10.1.6. PRUEBA DETERMINACIÓN DE GRADOS BRIX

Para realizar la prueba de grados brix se utilizó un

refractómetro, este se utiliza para medir el índice de refracción de líquidos y sólidos translúcidos permitiendo poder identificar una sustancia , verificar el grado de pureza, analizar el porcentaje de soluto disuelto en una determinada solución u ofrecer análisis cualitativos (Laboratorio químico TP, s.f.)

Figura 14. Refractómetro BOECO.

Fuente: COTECNO, s.f.

A la hora realizar la toma de datos se obtuvieron los

siguientes resultados

9

Figura 15. Gráfico de los Grados Brix de la vaina de frijol.

Elaboración propia

En la figura 15, se muestra el gráfico en el cual se

puede observar que en las 3 corridas se obtuvo el mismo grado brix para la vaina de frijol, el cual tiene un valor de 0,6 Grados Brix.

10.2. PRETRATAMIENTO DE LA VAINA DE FRIJOL

10.2.1. HIDRÓLISIS ÁCIDA

Para realizar la hidrólisis ácida, a un gramo de la

biomasa se le adiciona ácido sulfúrico a una concentración específica, para un total de 5 muestras una a 0,5%, 1%, 1,5%, 10% y 30%, a una temperatura de aproximadamente 60°C durante 40 minutos para las primeras 3 muestras y 120 minutos para las últimas 2 muestras. En la figura 16, se muestra el sistema utilizado para realizar la hidrólisis ácida de la vaina de frijol.

Figura 16. Sistema para hidrolizar muestras de la vaina de

frijol con ácido sulfúrico. Elaboración propia

Adicionalmente, las muestras hidrolizadas que se

muestran en la figura 17 son filtradas eliminando los sólidos que proceden de la muestra de la vaina de frijol. La muestra hidrolizada y filtrada es neutralizada, como se observa en la figura 18, se muestra el pH de la muestra previo a la neutralización y este está en un rango de 0 a 1, y seguidamente en la figura 19, se muestra el pH de la muestra neutralizada en donde el pH se encuentra en un rango de 6 a 7.

Figura 17. Producto resultante de las muestras

hidrolizadas con ácido sulfúrico de vaina de frijol. Elaboración propia

Figura 18. Pruebas de pH a las muestras de biomasa

hidrolizadas y filtradas. Elaboración propia

Figura 19. Pruebas de pH a las muestras de biomasa

posterior a la neutralización. Elaboración propia

Además, a las muestras hidrolizadas para conocer y

determinar si el pretratamiento realizado fue exitoso se procede a realizar la prueba con reactivo de Benedict y la respectiva medición de los grados Brix, dando ambas pruebas resultados positivos para la vaina de frijol. En el caso de la prueba con el reactivo de Benedict, no se logra un cambio de color completo de la muestra. Sin embargo, después de un tiempo de entre 5 a 10 minutos se comienza a observar un precipitado color marrón en cada uno de los tubos de ensayo, al ser analizado se toma como una prueba positiva, debido a que sí existió una parte de la muestra inicial que sufrió un cambio de color, en la figura 20, se muestra el fenómeno ocurrido para la prueba de reactivo de Benedict.

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Figura 20. Prueba de reactivo de Benedict para las

muestras de biomasa hidrolizadas, filtradas y neutralizadas.

Elaboración propia

Por otra parte, al realizar las mediciones de grados

Brix en el refractómetro, se obtiene resultados muy positivos y que demuestran que con la hidrólisis ácida se logra la obtención de los azúcares fermentables que conforman a la vaina de frijol. Sin embargo, a pesar de que se realizó la hidrólisis con concentraciones altas de ácido sulfúrico, no se logra por completo la eliminación de la lignina y por eso quedan residuos sólidos de la hidrólisis. Aún así, en el cuadro 7 se logra observar el crecimiento en la cantidad de los grados Brix respecto a los obtenidos en la caracterización con los obtenidos después de realizar la hidrólisis ácida, en donde, se demuestra que entre mayor sea la concentración del ácido sulfúrico, mayor es el aumento en los grados Brix de la muestra, lo cual sugiere que a mayor concentración de ácido mayor es la cantidad de azúcares fermentables. Cuadro 7. Comparación entre los grados Brix de la caracterización de la vaina de frijol versus los obtenidos en cada muestra después de realizar la hidrólisis ácida.

Concentración de ácido

sulfúrico (%)

Grados Brix antes de la

hidrólisis ácida

Grados Brix después de la

hidrólisis ácida

0,5 0,6 3,2

1 0,6 3,5

1,5 0,6 3,8

10 0,6 8,9

30 0,6 24

Elaboración propia

Con los resultados obtenidos y presentados se

muestra que la hidrólisis ácida es un pretratamiento apto para poder llevar a cabo la fermentación de la vaina de frijol y así obtener etanol de esta biomasa.

10.3. PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

10.3.1. FERMENTACIÓN

La fermentación de la vaina de frijol se lleva a cabo con las cinco muestras hidrolizadas, las cuales mediante una relación de 80:10 volumen-volumen con la levadura son colocadas en un baño maría a 30°C durante 4 días. La levadura utilizada corresponde a 11 g en 50 ml de agua, siendo activada mientras se agita y se pone a calentar entre 30° a 35° durante un lapso de tiempo de 2 a 5 minutos, procurando que no exista un exceso de la misma en las muestras pretratadas. El resultado de la fermentación al contener una fase líquida y una fase sólida debe ser filtrado para llevar a cabo la separación de las fases y así poder destilar únicamente la fase líquida, la cual se muestra en las figuras 21 y 22.

Figura 21. Muestras fermentadas y filtradas.

Elaboración propia

Figura 22. Muestras fermentadas, resultado final.

Elaboración propia

Para poder analizar y comprender si la fermentación

dió resultados para la vaina de frijol, se procede a realizar la prueba del pH a las 5 muestras fermentadas, las cuales rondan un pH de 7 como se muestra en la figura 23, medición realizada mediante tiras de pH. En donde, se asegura que la fermentación no modifica el pH de las muestras después de la neutralización realizada a las muestras hidrolizadas.

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Figura 23. Prueba de pH a las muestras resultantes de la

fermentación. Elaboración propia

Por último, la prueba que indica el éxito de la

fermentación corresponde a la medición y obtención de los grados Brix de las muestras. En donde, si hay una disminución de los grados Brix significa que se fermentaron y en su transformación corresponde al etanol que comprende parte de la fase líquida y puede ser destilada, sino hay una disminución en los grados Brix, esto significa que no se logró una fermentación de la muestra y esta no puede ser llevada al proceso de la destilación. En el cuadro 8, se muestra el cambio en los grados Brix de las muestras respecto a los obtenidos de la hidrólisis ácida respecto a los de la fermentación, en el cual se observa la disminución de los grados Brix, lo que indica que una parte de la muestra se logró fermentar y ahora corresponde a etanol y no sólo un azúcar. Cuadro 8. Comparación entre los grados Brix de la hidrólisis ácida versus los obtenidos en cada muestra después de realizar la fermentación.

Concentración de ácido

sulfúrico (%)

Grados Brix antes de la

fermentación

Grados Brix después de la fermentación

0,5 3,2 4,1

1 3,5 3,1

1,5 3,8 4,3

10 8,9 7,8

30 24 18,3

Elaboración propia

Es importante indicar que se logra la fermentación de las cinco muestras y como se observa en el cuadro 8 unas en mayor proporción que otras bajo las mismas condiciones. Sin embargo, no fue posible destilar las muestras por la poca cantidad en mililitros que se tenía de cada una de ellas,y que además, el destilado sería una cantidad mínima y con el cual sería complicado trabajar.

11. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Después del proceso de investigación es importante

reunir toda la información recabada y los resultados obtenidos mediante la experimentación para poder concluir y tener criterio para establecer aquello logrado y no logrado, así como las posibles oportunidades de mejora.

11.1. CONCLUSIONES Se realizó una revisión bibliográfica sobre el Phaseolus Vulgaris L de la cual se obtuvo como resultado una cantidad variada de información que comprende desde el cultivo, morfología y taxonomía hasta su composición, gracias a esta búsqueda pudimos aprender acerca de la biomasa seleccionada para realizar un arda investigación. En la investigación también se logró obtener información para realizar las pruebas y caracterizar la biomasa.

Gracias a la investigación que se realizó de forma

previa se caracterizó el Phaseolus Vulgaris L de forma físico-química en donde se realizaron pruebas de humedad, cenizas, contenido de materia volátil, carbono fijo, presencia de carbohidratos y grados brix. Una vez obtenida la información de las pruebas mencionadas anteriormente se procedió a realizar un pretratamiento químico para la liberación de azúcares libres, el cual se hizo por medio de una hidrólisis ácida y de la cual se obtuvo un resultado positivo.

Con los resultados obtenidos de la caracterización se puede definir en posible uso en los biocombustibles. El Phaseolus Vulgaris L al producir poca ceniza y material volátil se puede utilizar en la generación de biogás, para esto es importante realizar un estudio del poder calorífico y así realizar un análisis más profundo; al liberarse una gran cantidad de azúcares por medio de la hidrólisis se determina que la biomasa tiene potencial para producir bioetanol a partir de ella, es necesario realizar diversos pretratamientos para la liberación de azùcares y optar por el mejor, así como realizar una investigación para mejorar la metodología de la fermentación. Por último se rechaza la idea de la peletización con el Phaseolus vulgaris debido a que el porcentaje de humedad de la biomasa sobrepasa el rango en el cual se define si la biomasa es apta para la fabricación de pellets.

11.2. RECOMENDACIONES En cuanto a la recolección de la biomasa se recomienda que esta se haga con el tiempo para que sea fresca a la hora de realizar las pruebas ya que si esta se recolecta y se deja sin utilizar puede secarse y comenzar el proceso de degrado y si se coloca en un refrigerador para intentar mantener fresca la biomasa se torna babosa y pierde sus propiedades. En la prueba de humedad, se recomienda que la capa que se esparce sea del mismo grosor en toda la superficie, de esta forma se asegura una entrada de calor pareja en toda la biomasa. En todas las pruebas que requieren de la mufla se recomienda utilizar guantes resistentes al calor y unas pinzas lo suficientemente largas para no acercarse mucho al núcleo de la mufla, en especial en las pruebas donde se requiere de una alta temperatura.

12

Al realizar la prueba para determinar la presencia de carbohidratos se observó que los azúcares disponibles sin ningún pretratamiento no eran muchos sin embargo, después de una hidrólisis ácida estos azúcares incrementaron considerablemente por lo que se recomienda realizar más estudios a este pretratamiento e investigar sobre otros posibles para liberar glucosas.

Cuando se realizó la hidrólisis no se pudo notar un

cambio en la cantidad de azúcares disponibles por que se recurrió al refractómetro para cuantificarlos, al medir los grados brix se notó que aumentaron más de doble por lo que se recomienda siempre sacar los grados brix aunque con el indicador benedit no se vea un cambio.

En cuanto a la fermentación se recomienda

investigar otros métodos ya que, solo se pudieron fermentar las dos pruebas a las que se trataron con altas concentraciones de ácido en la hidrólisis. El tiempo en el que se dejan fermentando las muestras debe ser medido de forma en el que se le pueda hallar más óptimo en la biomasa.

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