OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO FERMENTACIÓN-DESTILACIÓN DE MELAZA PARA LA OBTENCIÓN DE BIOETANOL

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1 OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO FERMENTACIÓN-DESTILACIÓN DE MELAZA PARA LA OBTENCIÓN DE BIOETANOL Marco Antonio Parra Inzunza a, Martín Castro López a, José Luis Cristerna González a, Jesús Raúl Ortíz del Castillo a, Ramón Ignacio Castillo López a, Arlete Du Pond Barrera a, Fernando Cázares Pérez b a Facultad de Ciencias Químico Biológicas, Universidad Autónoma de Sinaloa, Av. Américas y Bld. Universitarios, Culiacán, Sin., CP 80030, MÉXICO. maparra8@uas.edu.mx b Centro de Instrumentos, Universidad Autónoma de Sinaloa, Av. Álvaro Obregón, Culiacán, Sinaloa, CP, MÉXICO. Resumen Dada la gran preocupación respecto al calentamiento global y las escasas reservas de petróleo, las políticas energéticas se han orientado hacia la utilización de energías alternativas, y entre éstas, la producción de biocombustibles más amigables con el ambiente. El etanol es considerado un recurso energético sostenible, puesto que ofrece diversas ventajas sobre los derivados del petróleo, como son la disminución en la producción de gases invernadero, disminución del costo del combustible, mayor seguridad energética y apoyo a producciones agrícolas. Éste se obtiene a gracias a la acción de microorganismos sobre los carbohidratos que se encuentran en productos vegetales, llevándose a cabo la fermentación alcohólica; dichos carbohidratos pueden provenir de subproductos de grandes procesos industriales para la producción del azúcar como la melaza; también pudiera ser directamente del jugo fresco de la caña de azúcar, entre otros. El emplear estos subproductos o desechos como sustratos para ser fermentados y obtener etanol genera una serie de oportunidades interesantes en el desarrollo de nuevas formas de energía renovable y en los cuales se realice un proceso amigable con el medio ambiente. El propósito general de este trabajo se centró en el aprovechamiento de la melaza mediante la optimización de las condiciones de fermentación para la producción de etanol. La melaza fue preparada, pasteurizada, enfriada e inoculada con levadura activada Saccharomyses cerevisiae. Se ajustó la concentración de azúcar y de levadura en función del diseño experimental. Los mostos se dejaron fermentar durante tres días a condiciones normales. Las variables de proceso escogidas fueron grados Brix del mosto y concentración de levadura. Se ajustó ph a 4.6 mediante la adición de ácido cítrico. Las gráficas de contornos de cada variable de respuesta se sobrepusieron bajo la técnica de superposición de la Metodología de Superficie de Respuesta (MSR), con lo cual se generó una región donde se ubican las mejores combinaciones de las variables de proceso, seleccionándose el punto medio como la mejor combinación. Los mostos fermentados fueron destilados en un alambique hechizo de acero inoxidable durante 30 minutos, recogiéndose las cabezas para su ulterior análisis. Los datos experimentales se sometieron a análisis estadístico, se obtuvieron modelos matemáticos del comportamiento de las variables de respuesta. En general la variable que más efecto mostró fue la concentración de azúcar del mosto original. Se recomienda ampliar el trabajo para determinar el rendimiento y calidad del alcohol destilado. 1485

2 Introducción El petróleo es un producto básico, siendo la principal fuente de energía usada en la actualidad a nivel mundial. Éste debe ser extraído de las profundidades de la tierra, pero su disponibilidad no es uniforme en el mundo; siendo un recurso no renovable y con proyecciones pesimistas a mediano plazo, pronosticando problemas para satisfacer la demanda mundial, lo que se ve reflejado en los precios; generando así repercusiones negativas en la economía de los países tercermundistas; por lo que se ha hecho indispensable el estudio, desarrollo y uso de nuevos combustibles (7). Cada vez la demanda del petróleo se acelera debido al crecimiento económico, derivado de la industrialización, mejoras en la infraestructura y urbanización de países en desarrollo; trayendo consigo incrementos en los precios debido al escaso abastecimiento de este producto. Adicional a esto, la utilización del petróleo como fuente energética trae como consecuencia daño sobre el entorno natural, no solo por la producción de grandes cantidades de dióxido de carbono, el cual aumenta la absorción de calor contribuyendo al calentamiento global, sino también por el impacto que tiene sobre el territorio en el que se realizan las explotaciones. En la actualidad existe una gran preocupación por el calentamiento global y las expectativas negativas de las reservas de hidrocarburos fósiles. En este sentido la orientación de las políticas energéticas es la utilización de energías alternativas, y entre éstas, la producción de biocombustibles más amigables con el ambiente. El etanol se perfila como un recurso energético potencialmente sostenible, de alta viabilidad técnica, que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo puesto que a diferencia del petróleo, éste se obtiene a partir de fuentes vivas como microorganismos, los cuales realizan la fermentación de azúcares que pueden provenir de subproductos de grandes procesos industriales; emplear éstos subproductos, como sustratos para ser fermentados y obtener etanol, generan una oportunidad importante en el desarrollo de nuevas formas de energía renovable y en los cuales se encuentre un desarrollo sostenible con el medio ambiente (8). El etanol ha sido obtenido por fermentación de diversos sustratos, principalmente de la industria agro-azucarera, aunque es posible obtenerlo de otras fuentes ricas en almidón o celulosa. Las principales responsables de la fermentación de estos sustratos han sido levaduras como Saccharomyces cerevisiae, aunque existen estudios que demuestran producción de alcohol empleando bacterias como Zymomona mobilis (9). En los últimos años la melaza, se ha convertido en un sustrato de alto interés para la obtención de alcohol por medio de vías fermentativas debido a su bajo precio y a que es considerado como un subproducto de la fabricación del azúcar crudo. La melaza está compuesta principalmente de diversos azúcares los cuales pueden ser fermentados por levaduras o bacterias, generando así un valor agregado para este subproducto y encontrando una fuente renovable de energía para frenar la crisis que se avecina por el uso del petróleo, puesto que éste es un recurso no renovable que tiende a agotarse rápidamente. Por lo anterior, el objetivo general de este trabajo se centra en el aprovechamiento de la melaza, que es un líquido denso y viscoso de color 1486

3 obscuro, producto final de la fabricación del azúcar de caña, contiene sacarosa, glucosa, fructuosa y rafinosa los cuales son fermentables, azúcar invertido, sales y otros compuestos, también sustancias reductoras no fermentables (4, 5), mediante la optimización de las condiciones de fermentación para la producción de etanol. El proceso consiste de adecuación de la melaza, inoculación, fermentación y destilación del mosto fermentado. Metodología Se utilizó melaza y levaduras comerciales Saccharomyses cerevisiae. La melaza se diluyó y se sometió a pasteurización (85 C, 15 min), posteriormente fue enfriada a 35 C, se inoculó con levadura activada (40 C, 30 min). Se ajustó la concentración de azúcar ( Bx) y de levadura (g/l) en función del diseño experimental. Los mostos se dejaron fermentar durante tres días en condiciones anaerobias. Se escogió Diseño Central Compuesto Rotable de la MSR, de segundo orden, a cinco niveles de variación. Las variables de proceso fueron grados Brix y concentración de levadura, con niveles alto y bajo de 10 y 20 Bx para la primera, y y 1.0 g/l para la segunda. Resultando trece corridas experimentales (2). El ph se ajustó a 4.6 mediante la adición de ácido cítrico. Se tomó una muestra de 10 ml y se le adicionó solución de NaOH al 0.1 N hasta vire de color para determinar la acidez titulable. Se utilizó refractómetro digital Hanna Instruments (USA) para la determinación de los grados Brix. Se utilizó densímetro de laboratorio para determinar los grados Gay Lussac. La densidad se determinó pesando un volumen de mosto. Las gráficas de contornos de cada variable de respuesta se sobrepusieron bajo la técnica de superposición de la MSR, con lo cual se genera una región donde se ubican las mejores combinaciones de las variables de proceso, seleccionándose el punto medio como la mejor combinación (1, 6, 3). Destilación. Los mostos fermentados fueron destilados en un alambique hechizo de acero inoxidable durante 30 minutos, recogiéndose las cabezas para su ulterior análisis. Resultados En base al diseño experimental se realizaron las corridas y se obtuvieron los datos experimentales, mismos que fueron sometidos a análisis estadístico. Grados Brix: se destacó que los cambios fueron promovidos por la concentración de azúcar ( Bx) del mosto original (X 1, P ; X 2 1, P ) dando como resultado el siguiente modelo matemático: 2 Y Bx = X X 1 Este modelo de regresión múltiple explicó el 96.26% de la variación total (P ) de los datos de Bx del mosto fermentado (Figura 1 y 2). 1487

4 ºBx ºBx Figura 1 y 2. Gráficas de comportamiento de los grados Brix en función de la concentración de levadura y de melaza. Grados Gay Lussac: se destacó que los cambios fueron provocados por los grados Brix del mosto original (X 1, P ), presentándose como resultado el siguiente modelo matemático: Y GL = X 1 Este modelo de regresión múltiple explicó el 82.84% de la variación total (P ) (Figura 3y 4). ºGL ºGL Figura 3 y 4. Gráficas de comportamiento de los grados Gay Lussac en función de la concentración de levadura y de melaza. Densidad: se notó que los cambios fueron provocados en esta variable por la Concentración de azúcar (X 1, P ) dando como resultado el siguiente modelo matemático Y Densidad = x10-3 X

5 Este modelo explicó el 96.84% de la variación total (P ) (Figura 5 y 6) Dens Dens Figura 5 y 6. Gráficas de comportamiento de la densidad en función de la concentración de levadura y de melaza. Las gráficas de contornos y de superficie de respuesta muestran el comportamiento de cada variable en función de la combinación Concentración de azúcar y concentración de levadura. Overlay Plot ºB x: ph: AcTit: ºG L : Dens: X X ºBx: 5.8 ºBx: 5.9 ºGL: 2.7 Ac Tit: 1.75 Ac Tit: Dens: 1.03 ºGL: 2.95 Figura 7. Región de las mejores combinaciones resultante de la sobreposición de gráficas de contornos del comportamiento de cada variable de respuesta en función de las variables de proceso. 1489

6 Optimización de condiciones. La región generada donde se ubican las mejores combinaciones de las variables de proceso y el punto medio se muestran en la Figura 7. Conclusiones La mejor combinación de variables de proceso fue Concentración de Azúcar Bx y una Concentración de levadura de 0.7 g/l en el mosto dulce u original. Las propiedades que caracterizan al producto obtenido en las mejores condiciones fueron: grados Brix de 5.873, ph de 4.503, Grados Gay Lussac 2.89, Acidez titulable y Densidad Se recomienda ampliar el trabajo para determinar el rendimiento y calidad del alcohol destilado. Referencias 1. Box, G. E. P., Hunter, W. G. y Hunter, J. S. Estadística para Investigadores. Ed Reverté. México Design Expert. Versión 6.04 por State Ease, Inc.,MN, EUA Gutiérrez-Pulido, H. y De la Vara-Salazar, R.. Análisis y Diseño de Experimentos. McGraw-Hill. Segunda Edición. México Honing, P. Principios de Tecnología Azucarera. Segunda edición. Compañía editorial continental. México. Pag; Leeson, S. y Summers, J. Nutrition aviar comercial. Editorial Le, print club express Ltda. Bogotá, Colombia. Pag; Montgomery, D. C. Diseño y Análisis de Experimentos. Limusa Wiley. Segunda Edición. México Levtona, Fabiola. (2006). Revista Ciencia y Tecnología: Energías "Alternativas": el Etanol. 8. Mancheno Gnecco, José El precio de la melaza continua creciendo. Nota técnica Sucromiles S.A. 9. Vázquez H. J, Dacosta. O Fermentación alcohólica: una opción para la producción de energía renovable a partir de desechos agrícolas. INGENIERÍA investigación y tecnología VIII