6 Apéndice A. 6.1 Hidrólisis acida con 50 g de buffel

Transcripción

1 6 Apéndice A En este apéndice se encuentra la descripción de los resultados obtenidos del análisis realizado por HPLC, el cromatograma que le corresponde, así como una tabla con los datos utilizados para realizar el análisis de resultados. En estos datos se basó la presente investigación para tomar decisiones críticas que influyeron en la caracterización del proceso de obtención de bioetanol. El análisis de los productos de hidrólisis para muestras con 200g de buffel y 1.2 L de H 2 SO 4 al 1.5% en peso, fermentación y destilación subsecuente se realizaron utilizando un integrador-graficador Shimadzu C-R3A que se encuentra acoplado al HPLC. Este instrumento presentó ciertas complicaciones a lo largo del análisis, omitiendo información necesaria (área bajo la curva para picos correspondientes a carbohidratos) para la fluidez de esta investigación. Es por esta razón que para los análisis donde se presentó el caso, las concentraciones de carbohidratos presentadas no son las definitivas y se debe considerar una concentración real mayor a la presentada (aproximadamente 4 veces más grande que las correspondientes a la hidrólisis de 50 g de buffel). Las concentraciones reales de estas muestras no se determinaron, por lo tanto se descartaron y se decidió trabajar con las muestras cuyos cromatogramas proporcionaron la información completa. 6.1 Hidrólisis acida con 50 g de buffel La cantidad máxima de carbohidratos que se pudiera obtener luego de hidrolizar 50 g de buffel pulverizado con 1 L de H 2 SO 4, es de g. 6-1

2 Para la hidrólisis 1, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 120ºC por un tiempo de 1 h, se logró hidrolizar un 29.01% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de 14.5 g/l lo que corresponde solo al 43.24% de los carbohidratos presentes en el buffel. Glucosa Figura 6-1: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 1 a 120ºC. Tabla 6-I: Datos de hidrólisis 1 a 120ºC. Glucosa y = 0.246x y = x y = x Total

3 Para la hidrólisis 2, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 140ºC por un tiempo de 1 h, se logró hidrolizar un 12.12% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de 6.11 g/l lo que corresponde solo al 18.21% de los carbohidratos presentes en el buffel. Glucosa Figura 6-2: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 2 a 140ºC. Tabla 6-II: Datos de hidrólisis 2 a 140ºC. Glucosa y = 0.246x y = x y = x Total

4 mv Para la hidrólisis 3, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 140ºC por un tiempo de 1 h, se logró hidrolizar un 14.04% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de 7.02 g/l lo que corresponde solo al 20.92% de los carbohidratos presentes en el buffel Glucosa t(min) Figura 6-3: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 3 a 160ºC. Tabla 6-III: Datos de hidrólisis 3 a 160ºC. Glucosa y = 0.246x y = x y = x Total

5 6.2 Hidrólisis acida con 200 g de buffel La cantidad máxima de carbohidratos que se pudiera obtener luego de hidrolizar 200 g de buffel pulverizado con 1.2 L de H 2 SO 4, es de g. Para la hidrólisis 1, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 140ºC por un tiempo de 1 h, se logró hidrolizar un 8.8% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de g/l lo que corresponde solo al 13.12% de los carbohidratos presentes en el buffel. El pico correspondiente a la glucosa se ha fusionado con el pico de galactosa, y el integrador-graficador solo proporcionó los datos (tiempo y área) del pico que corresponde a galactosa (lo cual se deduce porque el tiempo correspondiente a cada pico aparece después de que el pico ha sido graficado completamente como es el caso). Cabe mencionar que cuando esto ocurre, los datos proporcionados por el integrador-graficador no son exclusivamente los de la sustancia en la que se presentan, éste suma la fracción del área del pico continuo que se sobrepone sobre el pico de la sustancia de la cual presenta los datos y por lo tanto el área dada en estos casos siempre será mayor que la que realmente corresponde a dicha sustancia y los porcentajes de hidrólisis mencionados con anterioridad y a lo largo de éste apéndice en realidad son mayores. En el caso de xilosa el pico ha sido graficado pero de nuevo el integrador-graficador no proporcionó los datos que le corresponden. Tabla 6-IV: Datos de hidrólisis 1 a 140ºC. Glucosa y = x ND ND ND y = x y = x ND ND ND Total

6 Glucosa Figura 6-4: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 1 a 140ºC. Para la hidrólisis 2, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 140ºC por un tiempo de 2 h, se logró hidrolizar un 14.57% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de g/l lo que corresponde solo al 21.72% de los carbohidratos presentes en el buffel. Los picos de glucosa y galactosa han sido fusionados, el integradorgraficador solo proporcionó los datos correspondientes al pico de glucosa. Aun así esa fue una de las dos hidrólisis con más cantidad de azúcar y pasó a ser fermentada. En la sección 6.3 podemos observar el análisis de la cantidad real de carbohidratos que esta muestra contenía tomando en cuenta el área de cada uno de los picos del cromatograma resultante del análisis de fermentación, los datos para carbohidratos totales reales también se presentan en la Tabla 6-V. Entonces el porcentaje de hidrólisis real es de 24.10% y la concentración total de carbohidratos hidrolizados de g/l lo que corresponde al 35.91% de los carbohidratos presentes. 6-6

7 Glucosa Figura 6-5: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 2 a 140ºC. Tabla 6-V: Datos de hidrólisis 2 a 140ºC. TR Área Concentración Concentración Carbohidrato Ecuación (min) (ua) (g/l) real (g/l) Glucosa y = x y = x ND ND ND y = x Total Para la hidrólisis 3, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 140ºC por un tiempo de 3 h, se logró hidrolizar un 5.11% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de 8.53 g/l lo que corresponde solo al 7.62% de los carbohidratos presentes en el buffel. Los picos de glucosa y galactosa se fusionaron y el integrador solo presentó los datos correspondientes al pico de galactosa. 6-7

8 Glucosa Figura 6-6: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 3 a 140ºC. Tabla 6-VI: Datos de hidrólisis 3 a 140ºC. Glucosa y = x ND ND ND y = x y = x Total Para la hidrólisis 4, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 120ºC por un tiempo de 1 h, se logró hidrolizar un 5.27% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de 8.78 g/l lo que corresponde solo al 7.85% de los carbohidratos presentes en el buffel. En esta muestra los picos correspondientes a la glucosa y galactosa también se encuentran fusionados y el integrador-graficador solo presentó los datos de galactosa. 6-8

9 Glucosa Figura 6-7: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 4 a 120ºC. Tabla 6-VII: Datos de hidrólisis 4 a 120ºC. Glucosa y = x ND ND ND y = x y = x Total Para la hidrólisis 5, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 120ºC por un tiempo de 2 h, se logró hidrolizar un 10.82% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de g/l lo que corresponde solo al 16.12% de los carbohidratos presentes en el buffel. En este cromatograma también los picos de glucosa y galactosa han sido fusionados y el integrador solo proporcionó los datos solo para el pico de galactosa. 6-9

10 Glucosa Figura 6-8: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 5 a 120ºC. Tabla 6-VIII: Datos de hidrólisis 5 a 120ºC. Glucosa y = x ND ND ND y = x y = x Total Para la hidrólisis 6, la cual se llevó a cabo a una temperatura de 120ºC por un tiempo de 3 h, se logró hidrolizar un 15.26% del total del buffel, la concentración de carbohidratos totales hidrolizados fue de g/l lo que corresponde solo al 22.75% de los carbohidratos presentes en el buffel. Este cromatograma no fue la excepción y los picos de glucosa y galactosa también están fusionados. En la sección 6.3 podemos observar el análisis de la cantidad real de carbohidratos que esta muestra contenía 6-10

11 complementando con la concentración de glucosa que se detecta en el cromatograma de fermentación, los datos para carbohidratos totales reales también se presentan en la Tabla 6-IX. El porcentaje de hidrólisis real es de 30% y la concentración total de carbohidratos hidrolizados de g/l lo que corresponde al 44.71% de los carbohidratos presentes. Junto con la hidrólisis 2 este cromatograma sigue siendo el que presenta la concentración más alta de carbohidratos y fue por ello que pasó a ser fermentada. Glucosa Figura 6-9: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis 6 a 120ºC. Tabla 6-IX: Datos de hidrólisis 6 a 120ºC. TR Concentración Concentración Carbohidrato Ecuación Área (ua) (min) (g/l) real (g/l) Glucosa y = x ND ND ND y = x y = x Total

12 6.3 Fermentación Las hidrólisis escogidas para ser fermentadas fueron las hidrólisis 2 y 6 las cuales se llevaron a cabo utilizando 1 L de solución hidrolizada, 1 g de levadura y nutrientes. La fermentación 2 presenta una concentración total de carbohidratos de g/l mayor que la concentración presentada en la hidrólisis que fue de g/l. Este incremento se debe a que en el cromatograma para la fermentación 2, el integrador-graficador no fusionó los picos de glucosa y galactosa y presentó el área bajo la curva para cada pico, duplicando la concentración ya que el pico de glucosa es bastante grande. Por lo alta que es la concentración de carbohidratos en la fermentación, se puede concluir que ésta no se llevó a cabo correctamente y que la concentración de carbohidratos totales obtenida de este cromatograma no cambió y es la misma que se hubiera obtenido en la hidrólisis 2 si el graficador-integrador no hubiera fusionado los picos de glucosa y galactosa en uno solo. Glucosa Figura 6-10: Cromatograma de carbohidratos de fermentación

13 Tabla 6-X: Datos de fermentación 2. Glucosa y = x y = x y = x Total En la fermentación 6 los picos de glucosa y galactosa si se encuentran fusionados, la concentración total de carbohidratos de g/l no difiere mucho de la concentración al final de la hidrólisis que es de g/l, pero si se hubieran detectado las áreas bajo la curva de estos picos la concentración de carbohidratos sería mayor. La pequeña diferencia que hay entre las concentraciones se debe a que en el cromatograma de hidrólisis se tienen los datos para el pico de galactosa y en el correspondiente a fermentación se tienen los datos para el pico de glucosa. Complementado con la concentración de galactosa obtenida en el cromatograma de hidrólisis que debe ser la misma que en fermentación ya que ésta no se llevó a cabo de manera exitosa, la concentración real de carbohidratos para la fermentación 6 corresponde a g/l. Glucosa Figura 6-11: Cromatograma de carbohidratos de fermentación

14 Tabla 6-XI: Datos de fermentación 6. Concentración Concentración Carbohidrato Ecuación TR (min) Área (ua) (g/l) real (g/l) Glucosa y = x y = x ND ND ND y = x Total Las fermentaciones 2A, 2B, 6A y 6B son diluciones de las fermentaciones 2 (para 2A y 2B) y 6 (para 6Ay 6B). Se mezclaron 300 ml de solución hidrolizada y fueron diluidos en 700 ml de agua. Tomando en cuenta la concentración total de carbohidratos al finalizar las fermentaciones 2 y 6, se calculó la concentración inicial de carbohidratos para cada uno de las fermentaciones 2A, 2B, 6A y 6B, las cuales se presentan en la Tabla 6-XII. Tabla 6-XII: Concentración de carbohidratos al inicio de la fermentación. Fermentación Concentración (g/l) Glucosa Total 2A y 2B A y 6B El tiempo de residencia del etanol se encuentra alrededor de los 30 min y en los próximos cromatogramas se puede observar una señal detectada en este tiempo, lo que nos indica la presencia de etanol dentro de la muestra. En fermentación 2A los picos esperados de glucosa, galactosa y xilosa, han sido fusionados en uno solo, y los datos proporcionados por el integradorgraficador, son correspondientes a xilosa. A los minutos se detecta una señal correspondiente a etanol con un área de ua. 6-14

15 Glucosa y galactosa Figura 6-12: Cromatograma de carbohidratos de fermentación 2A. Tabla 6-XIII: Datos de fermentación 2A. Glucosa y = x ND ND ND y = x ND ND ND y = x Total En la fermentación 2B el pico de correspondiente a la glucosa no presenta información ya que se ha fusionado con otro pico que no corresponde a carbohidratos. A los 31.6 minutos se detecta una señal correspondiente a etanol con un área de ua, esta área fue de las más altas por lo tanto la muestra 2B paso a ser destilada. Figura 6-13: Cromatograma de carbohidratos de fermentación 2B. 6-15

16 Tabla 6-XIV: Datos de fermentación 2B. Glucosa y = x ND ND ND y = x y = x Total En la fermentación 6A solo la señal de galactosa es detectada, junto con una señal de etanol a los 30.9 min la cual presentó un área de ua, que es bastante grande gracias a que este pico se encuentra fusionado con el pico de xilosa. Aun así se asumió que la concentración de xilosa era muy pequeña en comparación con la de etanol y se tomó la decisión de destilar esta muestra. Figura 6-14: Cromatograma de carbohidratos de fermentación 6A. Tabla 6-XV: Datos de fermentación 6A. Glucosa y = x ND ND ND y = x y = x ND ND ND Total

17 Al igual que la fermentación 6A en la fermentación 6B solo la señal de galactosa es detectada, junto con una señal de etanol a los 32.4 min la cual presentó un área de ua, la cual es bastante grande ya que el pico de xilosa se encuentra fusionado con el pico de etanol. Figura 6-15: Cromatograma de carbohidratos de fermentación 6B. Tabla 6-XVI: Datos de fermentación 6B. Glucosa y = x ND ND ND y = x y = x ND ND ND Total Destilación Solo se destilaron las muestras 6, 2B y 6A, hasta conseguir 50 ml de destilado proceso que duro aproximadamente 1 h para cada una de las muestras. La muestra 6 se destiló solo para probar que la fermentación no se 6-17

18 había llevado a cabo exitosamente, y como era de esperarse la concentración de etanol fue muy baja con solo 0.76 g/l de etanol. Etanol Figura 6-16: Cromatograma de destilación 6. Tabla 6-XVII: Datos de destilación 6. TR Área Concentración Ecuación (min) (ua) (% v/v) (g/l) Etanol y = x En la destilación 2B se obtuvieron mejores resultados, presentándose una concentración de etanol fue de g/l. Etanol Figura 6-17: Cromatograma de destilación 2B. 6-18

19 Tabla 6-XVIII: Datos de destilación 2B. TR Área Concentración Ecuación (min) (ua) (% v/v) (g/l) Etanol y = x La destilación 6A fue la que presentó los mejores resultados con una concentración de g/l de etanol. Etanol Figura 6-18: Cromatograma de destilación 6A. Tabla 6-XIX: Datos de destilación 6A. TR Área Concentración Ecuación (min) (ua) (% v/v) (g/l) Etanol y = x Corrida para muestra A La diferencia de concentraciones entre las muestras 2B y 6A no es tan grande, mas sin embargo el tiempo de calentamiento en la etapa de hidrólisis es mayor para la muestra 6A lo que representa un mayor consumo de energía. Por 6-19

20 esta razón fue que se realizó de nuevo una corrida con los parámetros de la corrida 2 llevada a cabo con 200 g de buffel y 1.2 L de H 2 SO 4, para confirmar que los resultados obtenidos habían sido correctos. Es importante tomar en cuenta que los tiempos en los cuales se han detectado las señales de carbohidratos y etanol a lo largo de la corrida A han cambiado. Esto se debe a que las muestras fueron analizadas después de una limpieza que se le dio a la columna del HPLC. Por esta razón los tiempos en los que se esperan las señales de glucosa, galactosa, xilosa y etanol, son alrededor de los 17, 21, 26 y 20 min respectivamente. La concentración total de carbohidratos al final de la hidrólisis fue de g/l, la cual se acerca bastante a la concentración que se obtuvo en la hidrólisis 2, habiendo hidrolizado cerca del 32.72% de los carbohidratos disponibles en la solución. Glucosa Figura 6-19: Cromatograma de carbohidratos de hidrólisis A. 6-20

21 Tabla 6-XX: Datos de hidrólisis A. Glucosa y = x y = x y = x Total Para la fermentación se diluyeron 300 ml de muestra hidrolizada filtrada con 700 ml de agua destilada por lo tanto la concentración de carbohidratos antes de la fermentación disminuyó como se puede ver en la Tabla 6-XXI. Tabla 6-XXI: Carbohidratos al inicio de fermentación de muestra A. Concentración (g/l) Fermentación Glucosa Total A Una vez analizada la fermentación se obtuvo una concentración total de 4.34 g/l lo que corresponde al 60.5% del total de carbohidratos disponibles para ser fermentados. Glucosa Figura 6-20: Cromatograma de carbohidratos de fermentación A. 6-21

22 Tabla 6-XXII: Datos de fermentación A Glucosa y = x y = x y = x Total La concentración de etanol en 50 ml de destilado recaudado fue de 19 g/l, la cual es solo un poco mayor que la concentración obtenida en la destilación 2B, lo que corrobora que los resultados y el procedimiento es correcto. Etanol Figura 6-21: Cromatograma de destilación A. Tabla 6-XXIII: Datos de destilación A TR Área Concentración Ecuación (min) (ua) (% v/v) (g/l) Etanol y = x