obtenciÓn artesanal de bioetanol mediante desechos de …
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OBTENCIÓN ARTESANAL DE BIOETANOL MEDIANTE DESECHOS DE LA
CÁSCARA DE PLÁTANO
GABRIELA GÓMEZ ALVAREZ
GIOVANNY MARTIN RODRIGUEZ
Proyecto integral de grado para obtener el título de
INGENIERO QUÍMICO
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ D.C.
2021
2
NOTA DE ACEPTACIÓN
Luis Alberto Figueroa
Director
Presidente del Jurado
Jurado
Jurado
Bogotá D.C., Noviembre de 2021
3
DIRECTIVOS DE LA UNIVERSIDAD
Presidente de la Universidad y Rector del Claustro
Dr. Mario Posada García-Peña
Consejero Institucional
Dr. Luis Jaime Posada García-Peña
Vicerrectora Académica y de Investigaciones
Dra. Alexandra Mejía Guzmán
Vicerrector Administrativo y Financiero
Dr. Ricardo Alfonso Peñaranda Castro
Secretario General
Dr. José Luis Macías Rodríguez
Decano Facultad de Ingenierías
Ing. Julio César Fuentes Arismendi
Directora Programa de Ingeniería Química
Ing. Nubia Liliana Becerra Ospina
4
Las directivas de la Fundación Universidad de América, jurados calificadores y el cuerpo docente
no son responsables por las ideas estipuladas a lo largo del presente trabajo, pues estas
corresponden totalmente a los autores.
5
DEDICATORIA
Este trabajo de grado va dedicado en primer lugar a Dios, a mi padre Alejandro Gómez Español,
a mi madre Marcela Álvarez Alba, a mis hermanos Alejandro y Jorge, que, con su apoyo
incondicional durante todo este proceso de crecimiento y aprendizaje, me dieron las fuerzas y
fueron mi guía para poder culminar este primer logro de mi vida.
A mis amigos Sonia Amaya, Carlos Arciniegas y Diego Rodríguez, que me acompañaron en cada
etapa y me brindaron conocimientos, experiencias y crecimiento profesional.
Gabriela Gómez Álvarez
6
DEDICATORIA
Dedico mi trabajo de grado principalmente a mis madres y a toda mi familia, que fueron un apoyo
incondicional a lo largo de mi carrera, contribuyendo así a mi formación y crecimiento
profesional y personal.
A los profesores por compartir sus conocimientos, a mis compañeros y amigos que me
acompañaron e hicieron parte de este proceso, y a Dios por permitirme cumplir un nuevo logro.
Giovanny Martin Rodríguez
7
AGRADECIMIENTOS
Le agradezco a Dios en primera instancia por su amor infinito y por haberme dado el privilegio de
estudiar esta linda profesión; a mis padres Alejandro y Marcela por creer en mí, por apoyarme
incondicionalmente a pesar de los altibajos vividos durante estos años y por el gran ejemplo que
han sido para mí.
Mi más sincero agradecimiento al ingeniero y director de este trabajo de grado Luis Figueroa por
todos los conocimientos compartidos. Por su orientación y motivación en cada etapa del desarrollo
del proyecto.
Le agradezco a la Fundación Universidad América y a todo su cuerpo de docentes, que con
dedicación, paciencia y amor transmitieron sus conocimientos para formarme como profesional.
A todas las personas que hicieron parte de mi proceso de aprendizaje y que hicieron posible la
realización de este proyecto, infinitas gracias.
8
TABLA DE CONTENIDO
pág. RESUMEN 16
INTRODUCCIÓN 17
OBJETIVOS 19
1. MARCO TEÓRICO 20
1.1. Bioetanol 20
1.2. Producción de bioetanol en Colombia 22
1.3. Plátano y su cultivo en Colombia 24
1.3.1. Cáscara de plátano 25
1.4. Lignocelulosa. 26
1.4.1. Composición de la lignocelulosa. 26
1.5. Microorganismos productores de etanol 30
1.5.1. Saccharomyces cerevisiae 31
1.6. Proceso general de obtención de etanol a partir de biomasa 32
1.6.1. Pretratamiento 33
1.6.2. Limpieza de la materia prima 33
1.6.3. Molienda 33
1.6.4. Explosión de vapor 33
1.6.5. Hidrólisis 33
1.6.6. Fermentación alcohólica 34
1.6.7. Filtración 37
1.6.8. Destilación 37
1.7. Determinación de etanol 38
1.7.1. Método volumétrico 38
1.7.2. Cromatografía de gases. 39
1.8. Determinación de azúcares reductores por el método DNS. 39
2. METODOLOGÍA 40
2.1. Descripción de la metodología 40
2.2. Materia prima 41
2.3. Materiales, equipos y reactivos 42
2.3.1. Equipos 42
9
2.3.2. Materiales. 44
2.3.3. Reactivos 47
2.4. Diseño de experimentos 48
2.4.1. Identificación de variables independientes 48
2.4.2. Identificación de variables dependientes 49
2.4.3. Selección de la variable de respuesta 50
2.5. Selección del diseño de experimentos 50
2.6. Procedimiento experimental 52
2.6.1. Pretratamiento 53
2.6.2. Hidrólisis 55
2.6.3. Molienda 55
2.6.4. Fermentación 55
2.6.5. Filtración 56
2.6.6. Destilación 57
2.6.7. Determinación grados de alcohol 57
2.7. Metodología para el diseño y dimensionamiento de la planta a escala piloto 58
2.7.1. Dimensionamiento de la máquina de corte 58
2.7.2. Dimensionamiento de la máquina de molienda 59
2.7.3. Dimensionamiento de los reactores 59
2.7.4. Dimensionamiento del filtro prensa 61
2.7.5. Dimensionamiento torre de destilación 62
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS EXPERIMENTALES 68
3.1. Caracterización de la materia prima 68
3.1.1. Medición de densidad y pH 68
3.1.2. Grados Brix 69
3.1.3. Determinación de azúcares reductores por el método DNS. 70
3.2. Diseño de Experimentos 70
3.2.1. Hipótesis 70
3.2.2. Datos experimentales obtenidos 71
3.2.4. Conclusiones 73
3.3. Rendimiento Fermentación (gramos etanol producidos/azúcar consumido) 74
3.4. Rendimiento Bioetanol. 78
10
3.5. Análisis 79
3.6. Análisis Externo. 80
4. PROPUESTA DISEÑO DE PROCESO A ESCALA PILOTO. 84
4.1. Diagrama de flujo del proceso. 85
4.2. Dimensionamiento de la máquina de corte 86
4.2.1. Cálculo de la potencia requerida 87
4.3. Dimensionamiento de la máquina de molienda 90
4.4. Dimensionamiento del reactor para la hidrólisis alcalina 91
4.5. Dimensionamiento del reactor para la hidrólisis ácida 94
4.6. Dimensionamiento del reactor fermentador 96
4.7. Dimensionamiento del filtro prensa 98
4.8. Dimensionamiento de la torre de destilación 99
4.8.1. Balance de energía 102
4.8.2. Diseño mecánico 104
5. ESTUDIO DE COSTOS PARA UNA PLANTA PILOTO 107
5.1. Equipos utilizados en el proceso 107
5.1.1. Máquina Cortadora. 107
5.1.2. Molino 108
5.1.3. Reactores para hidrólisis y fermentación 108
5.1.4. Filtro prensa 109
5.1.5. Columna de destilación 110
5.2. Costos Fijos 112
5.3. Costos Directos 113
5.3.1. Materia Prima 114
5.4. Costos Indirectos 114
5.4.1. Consumo de agua. 114
5.4.2. Consumo energético. 115
6. CONCLUSIONES 116
BIBLIOGRAFÍA 118
ANEXOS 128
11
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Producción y exportación de petróleo vs Reservas nacionales (1998-2005). 23
Figura 2. Porcentaje de producción de plátano por departamentos. 24
Figura 3. Estructura química de la celulosa. 28
Figura 4. Estructura química de la lignina. 29
Figura 5. Reacción de Embden-Meyehof. 32
Figura 6. Ruta metabólica del glicólisis. 35
Figura 7. Ruta metabólica que sigue la molécula de piruvato para producir etanol. 36
Figura 8. Diagrama de destilación de la mezcla etanol-agua a 1atm. 38
Figura 9. Diagrama general de la metodología. 41
Figura 10. Equipos utilizados en el desarrollo experimental. 42
Figura 11. Materiales utilizados en el desarrollo experimental. 44
Figura 12. Reactivos utilizados en el desarrollo experimental. 47
Figura 13. Representación gráfica del diseño experimental. 51
Figura 14. Procedimiento experimental utilizado. 53
Figura 15. (a) Cáscaras cortadas, (b) pesaje de cáscaras maduras, (c) cáscaras verdes. 54
Figura 16. Procedimiento experimental para la fermentación y purificación del alcohol. 56
Figura 17. Medición del contenido de alcohol. 57
Figura 18. Factores de flujo “C” para torres de destilación en función de la tensión superficial. 65
Figura 19. Diagrama de flujo de proceso (PFD). 85
Figura 20. Esquema de la máquina de corte. 86
Figura 21. Esquema del molino. 90
Figura 22. Esquema del reactor de hidrólisis alcalina. 92
Figura 23. Esquema del reactor de hidrólisis ácida. 94
Figura 24. Esquema del fermentador. 96
Figura 25. Esquema del filtro. 99
Figura 26. Torre de destilación. 100
Figura 27. Etapas McCabe-Thiele. 101
Figura 28. Simulación de la torre de destilación. 103
Figura 29. Factores de flujo para espaciamientos comunes en torres de destilación. 105
12
Figura 30. Cortadora de la línea de cortadoras Weber. 107
Figura 31. Molino de martillos. 108
Figura 32. Determinación de costos para reactores agitados. 109
Figura 33. Determinación de costos para reactores agitados. 110
Figura 34. Determinación del costo de columnas de destilación. 111
Figura 35. Determinación del costo de platos perforados y con capucha. 112
Figura 36. Absorbancia vs Concentración de glucosa. 131
13
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Propiedades fisicoquímicas del Etanol. 21
Tabla 2. Caracterización fisicoquímica de la cáscara de plátano variedad Dominico Hartón. 25
Tabla 3. Composición cáscara de plátano. 26
Tabla 4. Proporción de componentes según el material lignocelulósico. 27
Tabla 5. Microorganismos productores de etanol. 30
Tabla 6. Interrelación de variables. 50
Tabla 7. Diseño factorial 3x2 con una réplica 52
Tabla 8. Parámetros iniciales cáscaras de plátano. 69
Tabla 9. Grados Brix iniciales. 69
Tabla 10. Grados de alcohol por tipo de cáscara obtenidos experimentalmente. 72
Tabla 11. Análisis estadístico ANOVA. 73
Tabla 12. Resultado determinación de azúcares reductores por el método DNS. 75
Tabla 13. Azúcares reducidos y porcentaje de conversión obtenido 76
Tabla 14. Rendimiento de la fermentación. 77
Tabla 15. Rendimiento de Bioetanol. 79
Tabla 16. Estudios previos. 80
Tabla 17. Características físicas del plátano Dominico Hartón. 84
Tabla 18. Especificaciones capacidad de procesamiento. 86
Tabla 19. Resumen parámetros de dimensionamiento para la máquina de corte. 89
Tabla 20. Especificaciones del motor y precio. 90
Tabla 21. Especificaciones molienda. 91
Tabla 22. Resumen diseño del reactor de hidrólisis alcalina. 93
Tabla 23. Características del material seleccionado. 93
Tabla 24. Resumen diseño del reactor de hidrólisis ácida. 95
Tabla 25. Características del material seleccionado. 95
Tabla 26. Resumen diseño del reactor empleado para la fermentación. 97
Tabla 27. Características del material seleccionado. 97
Tabla 28. Resumen de los resultados para el filtro prensa. 98
Tabla 29. Resumen cálculos teóricos de la torre de destilación. 102
14
Tabla 30. Resultados balance de energía. 103
Tabla 31. Resumen diseño mecánico. 104
Tabla 32. Características del material seleccionado. 106
Tabla 33. Costos de los equipos a nivel planta piloto. 112
Tabla 34. Costos totales de inversión. 113
Tabla 35. Costos de la materia prima. 114
Tabla 36. Consumo de agua en equipos. 115
Tabla 37. Consumo energético por equipo. 115
Tabla 38. Diluciones de la solución patrón para la curva de calibración. 130
Tabla 39. Datos de absorbancia obtenidos de las diluciones de la solución patrón. 130
Tabla 40. Absorbancia y concentración de glucosa hallada. 132
15
16
RESUMEN
El bioetanol se obtiene, entre otros métodos, a partir de la fermentación alcohólica de diversos
materiales orgánicos procedentes de la biomasa, en los cuales la actividad de ciertos
microrganismos degradan moléculas complejas y las convierten en biomoléculas más simples,
la materia prima que se tiene en cuenta para su producción debe cumplir con ciertas
características además que debe ser transformada con facilidad en azúcar fermentable, también
se tienen en cuenta otras variables, como su rendimiento en la producción, costos y el tipo de
microorganismo que requiera para su fermentación. En el presente trabajo de grado se utilizó
un diseño experimental del tipo factorial 3x2 para optimizar el contenido de alcohol, se
evaluaron dos grados de madurez de conchas de plátano residuales de la empresa SIMAGRAT
S.A.S y tres cantidades diferentes de Saccharomyces cerevisiae (1, 5 y 10 g).
Se realizó un proceso de corte y molienda hasta obtener un tamaño de partícula de 2 mm,
seguido de etapas de hidrólisis alcalina y ácida usando ácido sulfúrico y NaOH al 2 y 3%,
respectivamente. La fermentación se realizó durante un periodo de 8 días para posteriormente
filtrarse y destilarse a 78°C. Los resultados mostraron un contenido máximo de etanol de 7%
v/v cuando se usaron cáscaras maduras y la mayor cantidad de Saccharomyces cerevisiae. A
partir de estos resultados se dimensionó una planta artesanal con la capacidad de procesar 1
t/día de cáscaras teniendo un CAPEX de 2.508.741,60 USD y un OPEX de 293.615,17 USD.
Palabras claves: bioetanol, biomasa, fermentación, hidrólisis.
17
INTRODUCCIÓN
El vertiginoso crecimiento de las sociedades y de la producción industrial ha hecho que se
demanden grandes cantidades de energía para suplir ciertas necesidades, por ejemplo, para la
generación de energía eléctrica y la producción de combustibles para el sector transportes. Es
evidente que las formas de generación de energía eléctrica más utilizadas en la actualidad dentro
de los que se incluyen combustibles fósiles tienen ecológico de carácter negativo, se emiten
anualmente enormes cantidades de gases de invernadero que agudizan los efectos del
calentamiento global; sin embargo, La creciente preocupación en torno a los temas
medioambientales, especialmente a los problemas producto de la utilización de los denominados
combustibles fósiles, sumado a la creciente conciencia ambiental, han motivado la búsqueda de
otra alternativa que satisfaga las necesidades energéticas actuales, alternativas que sean más
limpias y amigables con el medio ambiente. La dependencia respecto uso de combustibles fósiles
ha generado principalmente dos tipos de preocupaciones: las implicaciones en torno al tema
ambiental, principalmente el cambio climático debido a la emisión de contaminantes, y las
limitaciones de las reservas y disponibilidad futura, todo esto sumado los altos precios de estos
combustibles derivados del petróleo, el tema de la seguridad energética y la creciente preocupación
sobre la contaminación ambiental, han despertado el interés de la comunidad científica por la
investigación y el desarrollo de fuentes de energía renovables, tales como la energía eólica, solar
y la implementación de los llamados biocombustibles tales como el biodiesel y el bioetanol
especialmente para el sector transportes, ya que se estima en 2035 que 51,9% del petróleo del
mundo se destinará a este sector, otro agente importante en el consumo de petróleo es el sector
industrial que alcanzara una demanda del 25,9% [1] de ahí la necesidad de suplir total o
parcialmente el uso de este tipo de combustibles y de esta manera reducir la emisión de CO2, que
es una de las principales causas del cambio climático.
Entre el sinnúmero de estrategias que se han planteado para hacer frente a los problemas
ecológicos, derivados de la polución por el uso de combustibles fósiles, encontramos los
denominados biocombustibles que no son más, que sustancias producidas a partir de biomasa, que
se utilizan como combustible, lo que constituye una forma de energía renovable, los más
18
industrialmente producidos son el bioetanol y el biodiesel, a la par de este han surgido diversas
opiniones en contra de su implementación, ya que la materia prima empleada para su producción
generalmente es a base de cultivos que son utilizados para la alimentación humana más aún,
conociendo la panorámica mundial en este tema, ya que en el mundo anualmente fallecen muchas
personas por inanición, por este motivo el enfoque de este trabajo de grado está dirigido a la
obtención de bioetanol, a partir de biomasas no empleadas para consumo humano y de carácter
residual.
En el presente trabajo de grado se desarrolló una investigación de carácter experimental con una
componente de diseño de procesos. A partir de biomasas residuales provenientes de una empresa
que desecha cáscaras de plátano con diferentes grados de maduración, se evaluó su actividad como
fuente de azúcares reductores necesarios para la obtención de bioetanol. La investigación se
desarrolló en los laboratorios del programa de Ingeniería Química de la Fundación Universidad de
América.
19
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Producir bioetanol artesanal en base a los desechos de la cáscara del plátano.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Realizar una búsqueda del estado del arte sobre la obtención de bioetanol, en base a la cascara
de plátano, obteniendo así la explicación de los fenómenos fisicoquímicos involucrados.
2. Determinar un proceso técnico para la extracción de Bioetanol en función de la cascara de
plátano en forma artesanal, a través de estudios de procesos similares, para su posterior
aplicación.
3. Proponer un diseño de proceso para la obtención de Bioetanol artesanal a escala piloto.
4. Valorar el costo final para el bioetanol obtenido.
20
1. MARCO TEÓRICO
1.1.Bioetanol
El bioetanol o alcohol carburante, es un compuesto orgánico líquido, con un origen distinto a
los hidrocarburos derivados del petróleo, gas natural o carbón. Se produce al realizar la
fermentación de una biomasa por acción de microorganismos. La NTC 5308:2019, lo define
como etanol anhidro, con un contenido de agua inferior a 0,7% en volumen [2].
El bioetanol, y en general los biocombustibles, pueden ser obtenidos de diferentes materias
primas, y en esto radica la clasificación que tendrán, es decir, puede ser de primera, segunda o
tercera generación. Los biocombustibles clasificados como primera generación son aquellos
provenientes de la biomasa de cultivos agrícolas destinados a la alimentación humana, como la
caña de azúcar, el maíz o la remolacha, su costo de producción es más bajo. Por otro lado, los
de segunda generación, son aquellos provenientes de los desechos agrícolas, como cáscaras de
frutas, residuos de café, cuya biomasa es rica en celulosa y hemicelulosa sin valor alimenticio;
la tecnología de procesamiento de esta materia prima es más compleja, lo que hace que tenga
un costo de inversión y producción elevado [3].
Por último, están los biocombustibles de tercera generación, que provienen de vegetales no
destinados a la alimentación, que tienen un crecimiento rápido y un alto potencial energético,
un ejemplo de esto son los árboles bajos en lignina o el maíz con celulasas integradas; las
microalgas también hacen parte de esta clasificación y diversos expertos señalan que son las
más prometedoras para producir biocombustibles de tercera generación, pues su rendimiento es
diez veces más alto que los biocombustibles de segunda generación. Con ellas se puede producir
un aceite que una vez es refinado, se obtiene biodiesel, y si son manipuladas de forma genética,
se puede producir todo tipo de combustibles según el Departamento de Energía de EE. UU [4].
La producción de bioetanol a partir de materia lignocelulosica tiene tres etapas principales:
pretratamiento, hidrólisis y fermentación [5].
Pretratamiento: Es un proceso de conversión de la biomasa en una materia prima apta
para la fermentación. Las materias primas con alto contenido de azúcares fermentables
requieren, poco o ningún pretratamiento, mientras que las materias primas amiláceas y
celulósicas deben someterse a un proceso de hidrolisis para que los microorganismos
actúen sobre ellas con efectividad [6].
21
Hidrólisis: Su finalidad es convertir las moléculas de gran tamaño en moléculas que
puedan ser degradables fácilmente, rompiendo enlaces en un medio acuoso [7].
Fermentación: Consiste en una secuencia de reacciones exotérmicas, donde se obtiene
etanol y dióxido de carbono a partir de azúcares por medio de la acción de un
biocatalizador (levaduras y bacterias) [6]. Su reacción general está dada por la ecuación
1. En la fermentación, el principal producto obtenido es el etanol; en la Tabla 1, se
presentan sus propiedades fisicoquímicas.
Ecuación 1.
Tabla 1.
Propiedades fisicoquímicas del Etanol.
Propiedad Valor
Punto de Ebullición 78,3 °C (1013 hPa)
Densidad 0,79 g/cm3 (20°C)
Límite de explosión 3,1 – 27,7 % (V)
Punto de inflamabilidad 13°C
Temperatura de ignición 425°C
Punto de fusión -114,5°C
Valor de pH 7,0 (10 g/L, H2O, 20°C)
Presión de vapor 57,26 Pa (19.6°C)
Nota. En la tabla, se presentan las propiedades fisicoquímicas del etanol.
Tomado de: Merck Millipore, “Etanol ficha de datos de seguridad (MDS).”
https://www.merckmillipore.com/CO/es/product/Ethanol-
absolute,MDA_CHEM-107017.
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
(1)
22
1.2. Producción de bioetanol en Colombia
Según la Federación Nacional de Biocombustibles de Colombia, la producción y el uso de
biocombustibles en Colombia se remonta hacia el año 2005, cuando el Gobierno Nacional,
inició las políticas orientadas a incentivar esta práctica, con la intención de promover una
alternativa de desarrollo productivo para la ocupación formal del suelo, generar empleo,
diversificar la canasta energética y convertir a Colombia en un país exportador de
Biocombustibles.
En el país hay aproximadamente 7,4 millones de hectáreas dedicadas al desarrollo de agro-
carburantes, específicamente para producción de etanol y biodiesel, a partir de insumos
agrícolas como la caña de azúcar y palma de aceite. La UPME [10] muestra la disminución de
producción y exportación de petróleo nacional desde 1998 hasta el año 2005 (Figura 1). Esta
disminución llevó al gobierno colombiano a buscar alternativas energéticas en los
biocombustibles, adicionando el 25% de etanol en la gasolina para el año 2020[9]. En la Figura
1 se muestra la disminución de la producción y exportación de petróleo en el país entre los años
1998-2005, también los años de reserva de este combustible fósil con los que cuenta el país, en
ese mismo período de tiempo.
23
Figura 1.
Producción y exportación de petróleo vs Reservas nacionales
(1998-2005).
Nota. En la Figura se muestra la disminución de la producción y
exportación de petróleo en el país entre los años 1998-2005.
Tomado de Ministerio de Minas y Energía, “Boletín Estadístico de
Minas y energía 2012 – 2016,” Minist. Minas y Energía, p. 200,
2016, [Online]. Available: https://bit.ly/3BHdves
En los últimos años el bioetanol se ha convertido en una herramienta para reducir las emisiones de
gases de efecto invernadero, sin embargo, no ha tenido la mejor acogida dado que hay motores
que no soportan mayores concentraciones de éste. Aun así, el bioetanol se puede mezclar con
gasolina hasta en un 10% sin que haya necesidad de realizar modificaciones al motor; existen
diferentes proporciones de mezcla como la B5 (5% bioetanol y 95% gasolina), E85 (95% bioetanol
y 5% gasolina) o E95 (95% bioetanol y 5% gasolina) [11].
Las ventajas que tiene usar de bioetanol como combustible son varias: tiene mayor cantidad de
oxígeno, por ende, su combustión va a ser limpia, va a aumentar el octanaje de la gasolina, el
límite de inflamabilidad del bioetanol en el aire es mayor, esto se traduce a que el motor se va
a encender en menor tiempo y la inyección de alcohol también será mucho más rápida, gracias
a la alta velocidad de vaporización del etanol, todo esto afecta directa y positivamente la
eficiencia teórica en un motor de combustión interna [12].
24
1.3. Plátano y su cultivo en Colombia
El cultivo de plátano en Colombia representa aproximadamente el 50% del área sembrada del
país [13], hay 4 zonas identificadas como productoras de plátano: Zona de Urabá y Noreste de
Antioquia, Zona Centro, Zona Llanos Orientales y Zona Sur del Cauca. El principal
departamento productor de plátano es Antioquia con un 14% de área total, lo que equivale
aproximadamente a 61.000 hectáreas, según registros del año 2017. La Figura 2, nos muestra
los porcentajes de producción de plátano que hay en el país por departamento [14].
El cultivo de plátano es el cultivo frutal más grande del país; existe 4 variedades de plátano a
nivel nacional: Dominico Hartón, Hartón, Dominico y Cachaco, este último, se cultiva en los
departamentos de Tolima y Huila como una actividad económica aprovechable pues tanto el
fruto como la hoja, son comercializados [14].
Figura 2.
Porcentaje de producción de plátano por departamentos.
Nota. En figura se muestra los porcentajes de producción de plátano que hay en
el país por departamento. Tomado de: Ministerio de Agricultura, “Indicadores e
instrumentos cadena Plátano,” Lect. Econ., vol. 52, no. 52, pp. 165–194, 2018,
[Online]. Available: https://bit.ly/2WYetE8.
Antioquia 14%
Arauca12%
V. cauca8%
Meta7%
Quindio7%
Resto Departamentos
52%
25
1.3.1. Cáscara de plátano
Colombia, tiene una producción basta de plátano, una vez es comercializado y usado el fruto,
nos queda una gran problemática, la cáscara, usualmente es arrojada a la basura junto con todos
los demás desperdicios tanto en los hogares, como en las industrias en la cuales utilizan este
fruto, convirtiéndose así en el principal subproducto del proceso industrial del plátano.
La cáscara representa aproximadamente del 30 al 40% del peso del fruto [15], la aplicación
potencial de la cáscara de plátano para aprovechar este residuo depende de su composición
química. Este residuo es rico en fibra, proteínas, aminoácidos esenciales, ácidos grasos
poliinsaturados, potasio [16], entre otros. En la Tabla 2, se muestra la caracterización de la
cáscara de plátano de la variedad Dominico Hartón, que es la que se trabajará durante la
investigación.
Tabla 2.
Caracterización fisicoquímica de la cáscara de plátano variedad Dominico
Hartón.
Nota. En la tabla, se muestra la caracterización de la cáscara de plátano de la variedad
Dominico Hartón. Tomado de: M. Molina-Sabio and F. Rodríguez-Reinoso, “Role of
chemical activation in the development of carbon porosity,” Colloids Surfaces A
Physicochem. Eng. Asp., vol. 241, no. 1–3, pp. 15–25, 2004, doi:
10.1016/j.colsurfa.2004.04.007.
La cáscara de plátano está compuesta por lingina, celulosa y hemicelulosa, en la Tabla 3, se
muestra el porcentaje de cada uno de estos compuestos presentes en la cáscara del plátano.
Parámetro Cáscara de plátano ± DS
Potencial de hidrógeno (pH bh) 4,86 ± 0,086
Acidez titulable (% bh) 1,55 ± 0,108
Humedad (%bs) 8,49 ± 0,059
Cenizas (%bs) 8,01 ± 0,061
Materia orgánica (%bs) 83,51 ± 0,107
Carbono (% bs) 48,44 ± 0,062
26
Tabla 3.
Composición cáscara de plátano.
Nota. En la tabla , se encuentra la composición de la cáscara de plátano por tipo de
compuesto. Tomado de: L. Rodríguez, U. Humberto, D. Doc, U. Miguel, and L. Garcia,
“Caracterización físico química de la cáscara de plátano para La Eliminación de Hierro
y manganeso en aguas provenientes de pozos profundos,” p. 23, [Online]. Available:
https://bit.ly/3luQ0jg.
1.4. Lignocelulosa
La lignocelulosa, es el principal componente de la pared celular de las plantas, y una de las
fuentes de carbono renovable más prometedora para solucionar los actuales problemas
energéticos. Su principal desventaja, es la falta de tecnología de bajo costo que puedan remover
la lignina e hidrolizar la hemicelulosa a azucares fermentables, para reducir la cristalinidad de
la celulosa y liberar la glucosa, que el nutriente principal de los microorganismos, y que, de este
modo puedan actuar con efectividad sobre la biomasa [17].
1.4.1. Composición de la lignocelulosa
Los residuos lignocelulósicos, tienen un porcentaje en peso de composición generalmente de
48%C, 6%H y 45%O, y materia orgánica, aunque esta composición varía según los factores
medioambientales [17]. El material lignocelulósico se divide en cinco grupos: maderas duras,
maderas blandas, residuos agrícolas, biomasa herbácea y residuos celulósicos. En la Tabla 4, se
muestra la composición de algunas de estas materias primas. Se puede ver el porcentaje de
celulosa, hemicelulosa y lignina contenidos en diferentes biomasas lignocelulósicas.
Parámetro Composición (%)
Lignina 60
Celulosa 25
Hemicelulosa 15
27
Tabla 4.
Proporción de componentes según el material lignocelulósico.
Biomasa Celulosa (%) Hemicelulosa (%) Lignina
(%)
Maderas duras
Nogal 46,2 20,9 21,9
Arce 44,9 23,0 28,0
Chopo 43,5 21,8 26,2
Álamo 49,9 25,1 18,1
Maderas blandas
Pino 46,4 20,6 29,4
Abeto 49,9 21,6 28,7
Residuos agrícolas
Paja de trigo 30,2 22,3 17,0
Paja de cebada 33,1 24,9 16,1
Residuos de maíz 36,8 30,6 23,1
Biomasa herbácea
Pasto varilla 45,0 31,4 12,0
Residuos celulósicos
Papel periódico 40-55 25-40 18-30
Nota. En la tabla se muestra la composición de algunas de estas materias primas. Se
puede ver el porcentaje de celulosa, hemicelulosa y lignina contenidos en diferentes
biomasas lignocelulósicas. Tomado de: Y. Sun and J. Cheng, “Hydrolysis of
lignocellulosic materials for ethanol production: A review,” Bioresour. Technol., vol. 83,
no. 1, pp. 1–11, 2002, doi: 10.1016/S0960-8524(01)00212-7.
La biomasa lignocelulósica, es una estructura compleja, compuesta por polisacáridos (celulosa
y hemicelulosa), ligados a la lignina, que es el compuesto que dificulta la acción enzimática y
microbiana, y otras sustancias [20].
28
1.5.1.a Polisacáridos. Conforma del 60-80% del material lignocelulósico. Este componente hace
referencia a la celulosa y a la hemicelulosa que son hidrocarbonos de alto peso molecular [21].
1.5.1.a.i Celulosa. Es el polímero de alto peso molecular (C6H10O5), lineal y polidisperso, que
compone las paredes celulares de las plantas. Está compuesto de moléculas de β-D-Glucosa unidos
por enlaces glucosídicos β-1,4, que se forman largas cadenas lineales, que son unidos por puentes
de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals [22]. Los enlaces de hidrógeno son los responsables de
la alta cohesión molecular de este polímero que, al no tener ramificaciones, permite que las cadenas
se alineen de forma organizada, creando estructuras cristalinas que a su vez se unen a estructuras
amorfas, teniendo como resultado una macromolécula semicristalina en un 60% hidrofílico, pero
insoluble en agua, por ende, altamente resistente a la hidrólisis y a la degradación enzimática [23].
En la Figura 3, se muestra la estructura química base de la celulosa.
Figura 3.
Estructura química de la celulosa.
Nota. En la figura se muestra la estructura química base de la celulosa. Tomado de: L.
García-garcía, E. Bordallo-lópez, D. Dopico-ramírez, and D. Cordero-fernández,
“Obtención de celulosa microcristalina a partir del bagazo de la caña de azúcar,”
ICIDCA Sobre los Deriv. la Caña Azúcar, vol. 47, no. 1, pp. 57–63, 2013, [Online].
Available: https://www.redalyc.org/pdf/2231/223126409008.pdf
29
1.5.1.a.ii Hemicelulosa. Es un heteropolisacárido, que representa del 15-35% de la biomasa vegetal
[24]. Está formado por monosacáridos unidos por enlaces β-14, compuesto por pentosas, hexosas,
desoxihexosas forman una cadena lineal ramificada, lo que hace que sea amorfa y relativamente
fácil de hidrolizar a sus azúcares constitutivos, que son azúcares fermentables [25].
1.5.1.b. Lignina. Es un polímero tridimensional, amorfo y ramificado más abundante en la tierra
después de los polisacáridos y un componente fundamental de la pared celular vegetal. También
es considerada como un mecanismo de defensa pues su biosíntesis y deposición en las paredes
celulares aumenta cuando la planta es sometida a situaciones de estrés, creando así una barrera
física contra el ingreso de fitopatógenos o para evitar el crecimiento de estos; al depositarse en la
pared celular dificulta la degradación enzimática [26]. En la Figura 4 podemos ver la estructura
química de la lignina.
Figura 4.
Estructura química de la lignina.
Nota. En la figura podemos ver la estructura química de la lignina.
Tomado de: Y. S. Saenz, Agricultura Sustentable : Una Alternativa
para suelos Cebaderos en Hidalgo ., no. August. 2018
30
1.5.1. c. Material orgánico. Se refiere a las otras sustancias que están presentes en la pared celular
como: grasas, ceras, alcaloides, proteínas, fenoles simples y complejos, azúcares simples, pectinas,
mucílagos, gomas, resinas, terpenos, etc., que pueden estar involucrados en la actividad metabólica
o solo aportar propiedades físicas [12].
1.5. Microorganismos productores de etanol
El bioetanol, es producido gracias a la fermentación de los azúcares presentes en la biomasa, y
se ve directamente afectada por la concentración de azúcar en el sustrato y por el tipo de
microorganismo que se emplee al momento de fermentar.
Las levaduras son los microorganismos más utilizados en la industria al momento de producir
etanol, pero también hay bacterias que pueden sintetizar grandes cantidades de alcohol [28]. En
la Tabla 5, podemos ver un listado de algunos microorganismos capaces de sintetizar alcohol y
sus principales sustratos.
Tabla 5.
Microorganismos productores de etanol.
Microorganismos Sustrato
Levaduras
Saccharomyces cerevisiae/carlsbergensi Glucosa, fructosa, galactosa, maltosa,
maltotriosa, y xilosa
Saccharomyces rouxii (osmofílica) Glucosa, fructosa, maltosa y sacarosa.
Kluyveromyces fragilis/ lactis Glucosa, galactosa y lactosa
Cándida pseudotropicalis Glucosa, galactosa y lactosa
Cándida tropicalis Glucosa, xilosa y xilosa.
Bacterias
Zymommonas mobilis Glucosa, fructosa y sacarosa
Clostridium thermocellum (termofílica) Glucosa, celobiosa y celulosa.
Clostridium thermohydrosulfuricum
(termofílica)
Glucosa, xilosa, sacarosa, celobiosa y
almidón.
31
Thermoanaerobium brockii (termofílica) Glucosa, sacarosa y celobiosa
Thermobacteroides acetoethylicus (termofílica) Glucosa, sacarosa y celobiosa.
Nota. En la Tabla 5, podemos ver un listado de algunos microorganismos capaces de sintetizar
alcohol y sus principales sustratos. Tomado de: E. Espinoza, “Análisis técnico-económico para la
producción de bioetanol anhidro a partir de naranja,” Universidad Autónoma del estado de México,
2017.
1.5.1. Saccharomyces cerevisiae
Es un hongo unicelular heterótrofo, que obtiene la mayor parte de su energía de la glucosa, es
utilizado mayormente en la producción de vinos y cervezas, dadas sus altas propiedades
fermentativas. Se describe como un microrganismo anaerobio facultativo, es decir, que es capaz
de usa un amplio rango de sustratos entre mono-, di- y oligo-sacáridos [30].
Esta levadura, fermenta los azúcares más comunes como glucosa, fructosa, galactosa, maltosa,
maltotriosa y xilosa, además se caracteriza por ser muy robusta, pues resiste condiciones
estresantes, tiene un crecimiento rápido, uso eficaz de la glucosa, la cual es convertida por la
ruta de glicolisis o reacción de Embden-Meyehof a ATP, etanol y CO2, tal como se muestra en
la Figura 5 [29]; puede producir y consumir etanol, soporta altas concentraciones de etanol y
bajos niveles de oxígeno, termotolerancia y actividad celular en ambientes ácidos [31]. En la
Figura 5, se observa la ruta metabólica de la levadura Saccharomyces cerevisiae.
32
Figura 5.
Reacción de Embden-Meyehof..
Nota. En la Figura 5, se observa la ruta metabólica de la levadura Saccharomyces
cerevisiae. Tomado de E. Espinoza, “Análisis técnico-económico para la producción de
bioetanol anhidro a partir de naranja,” Universidad Autónoma del estado de México,
2017
1.6. Proceso general de obtención de etanol a partir de biomasa
El bioetanol es obtenido gracias a la acción de microorganismos que actúan en la sobre los
azúcares de la biomasa en la etapa de fermentación, sin embargo, en el caso de tener una
biomasa lignocelulósica, el proceso no es tan directo, la celulosa debe ser convertida en
azúcares simples que sean fermentables para que los microorganismos puedan hacer su trabajo.
Las etapas principales del proceso de obtención de bioetanol a partir de material lignocelulósico
son: pretratamiento, hidrólisis, fermentación y destilación [32].
33
1.6.1. Pretratamiento
Para que el proceso de obtención de bioetanol a partir de materiales lignocelulósicos sea
eficiente y exitoso, esta tapa es crucial, pues su objetivo principal es disminuir la resistencia
que este tipo de biomasa tiene a la degradación enzimática, además de minimizar la degradación
de los carbohidratos y la formación de subproductos que inhiban la acción microbiana [33].
1.6.2. Limpieza de la materia prima
Se debe seleccionar la materia prima que esté en mejores condiciones para evitar el crecimiento
de contaminantes dentro del cultivo al momento de realizar la fermentación y posteriormente
remover la mayor cantidad de suciedad que pueda tener.
1.6.3. Molienda
En este proceso, se busca aumentar el área superficial de la biomasa con la intención de facilitar
la acción de los microorganismos al momento de hacer el proceso de fermentación. Consiste en
realizar un desfibrado que reduzca el tamaño de las partículas, para disminuir la cristalinidad
de la celulosa [34].
1.6.4. Explosión de vapor
También llamada autohidrólisis, es un método físico cuyo objetivo es someter la materia prima
a una temperatura de 190-230°C y presión alta durante 1 y 10 minutos para después disminuir
bruscamente la presión, provocando así fuerzas de cizalladura, para destruir parcialmente los
enlaces lignina-carbohidrato y para degradar la hemicelulosa [35]. Aunque es uno de los
pretratamientos más utilizados por tener un bajo coste y por no usar ningún agente químico,
tiene una gran desventaja y es que promueve la formación de inhibidores de la fermentación
[36].
1.6.5. Hidrólisis
Es una reacción química utilizada para transformar moléculas de gran tamaño en moléculas
simples y fácilmente degradables en un medio acuoso. Gracias a esta reacción se pueden liberar
los azúcares monoméricos presentes en los materiales lignocelulósicos [12].
34
1.6.5. a Hidrólisis ácida. Es un proceso en el cual se utilizan ácidos concentrados o diluidos a modo
de catalizador, para realizar la transformación de las cadenas de polisacáridos que tienen los
materiales lignocelulósicos en monómeros simples (azúcares fermentables). Los ácidos más
utilizados para este tipo de hidrólisis el sulfúrico, sulfuroso, clorhídrico, fosfórico y nítrico [12].
1.6.5 b. Hidrólisis enzimática. En este tipo de hidrólisis, se utilizan enzimas altamente específicas,
los productos de esta hidrólisis son en su mayoría pentosas y hexosas. Se utilizan
amiloglucosidasas y amilasas para la degradación del almidón y celulasas para la degradación de
la celulosa. Esta hidrólisis se caracteriza por tener condiciones de operación relativamente suaves
(pH: 4,5, 50°C y agitación suave) [37]. Aunque este tipo de hidrólisis no produce compuestos
inhibidores, tienen una desventaja y es que necesita un largo tiempo de reacción y el costo de las
enzimas es elevado.
1.6.6. Fermentación alcohólica
Es una bio-reacción, que corresponde a la ruta metabólica de ciertos microrganismos, en la que
a partir de azúcares fermentables se da el crecimiento celular obteniendo como consecuencia
etanol, dióxido de carbono y energía en forma de ATP (adenosín trifosfato).
35
Figura 6.
Ruta metabólica del glicólisis.
Nota. En la figura se puede observar la ruta metabólica que sigue la glucosa, una
vez empieza a ser consumida por el microorganismo. Tomado de: J. Santos and Z.
Diego, “Evaluación de la producción de etanol a partir de residuos orgánicos y sus
diferentes mezclas, generados en la empresa Alimentos SAS S.A.S.,” Fundación
Universidad de América, 2016..
36
Para que la glicólisis se desarrolle efectivamente y el piruvato se metabolice, es necesario que
la molécula de glucosa o fructosa sean transformadas en glucosa-6-fosfato o fructosa-6-fosfato,
respectivamente.
Es a partir del piruvato que se desarrollan las reacciones por las cuales se obtiene etanol, y ya
que es una reacción anaeróbica, la reducción de piruvato a etanol se da gracias a la acción de la
forma de la coenzima NAD, encargada de realizar la oxidación, tal como se ve en la Figura 6 y
en la Figura 7 [38]. En la Figura 7, observamos la ruta metabólica que sigue la glucosa, una vez
empieza a ser consumida por el microorganismo.
Figura 7.
Ruta metabólica que sigue la molécula de piruvato para producir etanol.
Nota. En la figura 7 observamos la ruta metabólica que sigue la molécula de piruvato para
producir etanol. Tomado de: J. Santos and Z. Diego, “Evaluación de la producción de etanol a
partir de residuos orgánicos y sus diferentes mezclas, generados en la empresa Alimentos SAS
S.A.S.,” Fundación Universidad de América, 2016.
37
El rendimiento teórico de obtención de etanol es de 0,511 g de etanol por cada gramo de glucosa
consumida y está dado por la siguiente reacción química de la ecuación 2:
Ecuación 2.
𝐶6𝐻12𝑂6 → 2𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 (2)
Hay factores que afectan directamente el proceso de fermentación como la temperatura, dado
que el proceso se realiza con microorganismos, es muy importante tener en cuenta la
temperatura óptima para que su crecimiento sea posible, otro factor es el pH, el sustrato o
nutrientes y la aireación, ya que esto determinará el producto que se va a obtener en la
fermentación.
1.6.7. Filtración
Mediante esta operación unitaria, se busca separar los sólidos suspendidos, mediante un medio
mecánico poroso, que retiene los sólidos de mayor tamaño y permite el paso de líquido y
partículas de menor tamaño [39]. En la industria se encuentran tres tipos de filtración: Filtración
de torta, filtración de lecho profundo y filtración de flujo cruzado.
1.6.8. Destilación
La destilación es una operación unitaria, cuyo objetivo es separar mezclas según los puntos de
ebullición de los componentes [40].
Tras la fermentación, los principales componentes obtenidos son agua y etanol, que estando a
condiciones normales, forman una mezcla azeotrópica compuesta por aproximadamente 96,6%
etanol y 4,4% agua, que tiene un punto de ebullición de 78,2°C, así que después de obtener un
fermentado filtrado, la prioridad es recuperar el etanol obtenido. El proceso de destilación se
puede seguir con los diagramas de equilibrio líquido-vapor [41].
38
Figura 8.
Diagrama de destilación de la mezcla etanol-agua a 1atm.
Nota. En la figura, observamos el comportamiento de separación
de la mezcla etanol agua con respecto a la temperatura. Tomado
de: I. Salazar and J. Villamizar, “Evaluación de la obtención de
bioetanol partiendo de la fermentación de los azúcares
concentrados en las bebidas gaseosas carbonatadas vencidas por
medio de Saccharomyces cerevisiae,” Fundación Universidad de
América, 2019.
1.7. Determinación de etanol
Para comprobar la eficiencia del proceso, es necesario determinar el porcentaje de etanol
obtenido tras la destilación, para ello hay diferentes métodos, entre ellos el método volumétrico
y la cromatografía de gases.
1.7.1. Método volumétrico
Este método nos permite cuantificar la cantidad de etanol presente en la muestra de una forma
relativamente sencilla. Consiste en separar el 75% del volumen total de la muestra y mediante
el uso de un instrumento como el alcoholímetro, refractómetro o espectrofotómetro, determinas
la cantidad presente de alcohol en la muestra [31].
39
1.7.2. Cromatografía de gases.
Esta técnica de cuantificación se caracteriza por tener una alta sensibilidad al momento de
analizar compuestos volátiles, se utiliza para compuestos que tengan un peso molecular menor
a 1000 y a temperaturas máximas de 400°C, así que el límite de mezclas que se pueden utilizar
estará marcado por la estabilidad térmica de estas [42]. Para hacer un análisis mediante
cromatografía de gases, se debe inyectar una pequeña cantidad de la muestra a separar en una
corriente de gas inerte, lo que significa que no va a interactuar con ningún componente de la
mezcla, a elevada temperatura; esta corriente atraviesa una columna cromatografía que separará
los componentes de la mezcla por medio de un mecanismo de partición, en el caso de la
cromatografía líquida, de adsorción para la cromatografía de gas sólido, o lo más usual por
medio de una mezcla de ambos. Los componentes separados, emergerán de la columna a
intervalos discretos y pasarán por un sistema de detección o serán dirigidos hacia un dispositivo
de recogida de muestras [42].
1.8. Determinación de azúcares reductores por el método DNS.
Es uno de los métodos de cuantificación de azúcares presentes en una muestra más empleado.
Consiste en el uso del reactivo DNS, que está compuesto por ácido dinitrosalicílico y sal de
Rochelle. Es un método de colorimetría en el cual hay una reducción del ácido 3,5-
dinitrosalicílico en presencia de calor y de los azúcares reductores que entran en contacto con
él, desarrollando un cambio de color visible de amarillo a rojo, que son leídos en un
espectrofotómetro a cierta longitud de onda. La concentración de azúcares reductores presentes
en la muestra es determinada por la gráfica de la curva de calibración de la celda patrón, esta
gráfica tiene un eje “Y” llamado absorbancia y un eje “X” donde está la concentración de
glucosa [42]
40
2. METODOLOGÍA
2.1. Descripción de la metodología
Esta tesis es desarrollada bajo el método científico, partiendo de una idea inicial, que debe
delimitarse y direccionarse hacia el cumplimiento de unos objetivos. Además de la
investigación bibliográfica, también se realizó una investigación experimental con el fin de
conocer la concentración de bioetanol que se puede obtener de los residuos de la cáscara de
plátano por acción de la levadura Saccharomyces cerevisiae. Pensando en el futuro de nuestro
planeta, surgió el deseo de desarrollar esta investigación pues las cáscaras de plátano que hacen
parte de los residuos agrícolas no se les está dando un aprovechamiento, terminan siendo parte
de los rellenos sanitarios.
41
Figura 9.
Diagrama general de la metodología.
Nota. En la figura se describe la metodología general empleada en el
presente trabajo de grado.
2.2. Materia prima
La cáscara de plátano va a ser proveída por la empresa SIMAGRAT SAS SOMAC, que se
dedica al limpiado, pelado y picado del plátano, y que actualmente no cuenta con un sistema de
tratamiento de este subproducto, por lo que es simplemente desechado a la basura. La variedad
de cáscara de plátano que nos va a proveer la empresa es la proveniente del Dominico Hartón,
producidos en la región cafetera central.
42
2.3. Materiales, equipos y reactivos
2.3.1. Equipos
Figura 10.
Equipos utilizados en el desarrollo experimental.
Equipo Descripción
Autoclave.
Es un recipiente metálico de paredes gruesas y con
cierre hermético, utilizado para realizar una reacción
industrial, una cocción o una esterilización con vapor de
agua [43].
Balanza analítica.
Es un instrumento utilizado para medir pequeñas masas.
Ofrecen precisión de lectura de 0,1 µg -0,1 mg [43].
Cromatógrafo de gases.
Técnica de separación y análisis de mezclas de
sustancias volátiles basado en la distribución de los
componentes de una mezcla entre dos fases inmiscibles,
una fija y otra móvil. La fase móvil es un gas inerte que
fluye a través de una columna que contiene a la fase fija
[44]. Las columnas más recomendadas para
determinación de etanol son los capilares, semicapilares
o la empacada (182,88 cm x 0,3175 cm en vidrio o acero
inoxidable.
43
Nota. En la figura se presentan los diferentes equipos utilizados para llevar a cabo la
experimentación.
Espectrofotómetro.
Este equipo, permite analizar compuestos absorbentes
de forma cuantitativa mediante la radiación de un haz
de luz en una solución [45].
Plancha de calentamiento con
agitación magnética.
Este equipo es utilizado para calentar y agitar al
mismo tiempo una mezcla o una sustancia [46].
Potenciómetro o pHmetro.
Es un instrumento científico que mide la actividad el ion
hidrógeno en soluciones acuosas, indicando su grado de
acidez o alcalinidad. Mide la diferencia de potencial
eléctrico entre un electrodo de pH y un electrodo de
referencia [41].
44
2.3.2. Materiales.
Figura 11.
Materiales utilizados en el desarrollo experimental.
Materiales Descripción
Cabezal de destilación.
Es utilizado para acomodar el termómetro en la parte
superior junto con un tapón de hule [47].
Condensador de Graham.
Consiste en una espiral de vidrio encerrada por un
cilindro de vidrio. El líquido refrigerante circula entre
el cilindro y la espiral, lo que genera una gran cantidad
de superficie de enfriamiento para el vapor [48].
Erlenmeyer 250 mL.
Es un recipiente de forma cónica con una abertura en
el extremo angosto. Es útil para la retención y
medición de muestras líquidas químicas o en la
preparación de disoluciones. Suele tener algunas
marcas de graduación [49].
45
Hidrómetro Brix.
Es utilizado para medir la cantidad de azúcar en una
relación agua-sacarosa siguiendo el principio de
flotabilidad [50].
Hidrómetro Gay Lussac.
Es utilizado para medir la cantidad de alcohol presente
en una mezcla, en una relación agua-etanol, siguiendo
el principio de flotabilidad [51].
Matraz fondo redondo.
Se utiliza para realizar reacciones o para llevar
mezclas a elevadas temperaturas. Su fondo esférico
favorece la concentración de los reactivos, no se puede
apoyar en superficies planas, por ende, es necesario el
uso de un soporte [52].
Mangueras.
Una de ellas es utilizada para alimentar con una
corriente de agua al condensador de Graham y otra
para la corriente de salida del condensador [47].
46
Perlas de ebullición.
Al momento de calentar una mezcla, las perlas evitan
la salpicadura de sustancias y la formación de burbujas
durante la ebullición del líquido [53].
Probeta graduada.
Es un instrumento volumétrico que consiste en un
cilindro graduado, es decir, lleva una escala grabada
en la parte exterior que permite medir el volumen [49].
Soporte Universal.
Es una herramienta que se utiliza en el laboratorio para
realizar montajes. Está conformado por una base
rectangular, la cual soporta una varilla cilíndrica que
permite sujetar materiales con ayuda de dobles nueces
y pinzas [49].
Tapón de goma.
Se hacen generalmente de caucho endurecido, tienen
forma cilíndrica, con un extremo inferior cónico.
Algunos tienen dos agujeros para permitir la inserción
de pipetas, embudos, tupos o termómetros. Es
utilizado para evitar que un gas o líquido escape del
recipiente durante el experimento [49].
47
Termómetro.
Es utilizado para medir la temperatura con un alto
nivel de exactitud. Puede ser de forma total o
parcialmente inmerso en la sustancia o mezcla que se
está midiendo [49].
Vaso de precipitado.
Es un recipiente de forma cilíndrica y fondo plano,
aunque está graduado, no es un material calibrado,
esto provoca que las mediciones no seas exactas [49].
Nota. En la figura, se presentan todos los materiales utilizados para llevar a cabo la
experimentación.
2.3.3. Reactivos
Figura 12.
Reactivos utilizados en el desarrollo experimental.
REACTIVO DESCRIPCIÓN
Hidróxido de sodio (NaOH)
También conocida como soda cáustica o lejía, es
una sustancia altamente versátil que se utiliza en
una variedad de procesos productivos [54].
Ácido sulfúrico (H2SO4)
Es un compuesto muy reactivo y altamente
corrosivo, por lo que debe ser manipulado con un
cuidado extremo [55].
48
Nota. En la figura, se muestran los reactivos necesarios para realizar la experimentación.
2.4. Diseño de experimentos
2.4.1. Identificación de variables independientes
Son variables que se modifican en un experimento, es decir, el investigador las puede modificar
para afectar positiva o negativamente la variable de respuesta del experimento [56].
Aireación: La levadura Saccharomyces cerevisiae es un microorganismo anaerobio
facultativo, así que puede o no usar oxígeno para su crecimiento. Para efectos de llevar
a cabo una fermentación alcohólica exitosa, las condiciones de crecimiento para la
levadura deben ser anaerobias, y se mantendrá constante al inicio de la fermentación.
Concentración inicial de azucares reductores: La glucosa es una de las fuentes de
nutrientes de Saccharomyces cerevisiae y en este trabajo es la principal, por eso es muy
importante brindarle al microorganismo la cantidad suficiente de este nutriente para que
tenga un crecimiento óptimo.
Agua destilada
Es H2O sometido a un proceso de destilación
donde se eliminan impurezas e iones del agua de
origen.
Saccharomyces cerevisiae
Es el microorganismo que se va a utilizar para el
proceso de fermentación.
49
Concentración inicial de microorganismos: Esto afecta directamente la producción
de bioetanol y se evaluarán tres concentraciones iniciales de Saccharomyces cerevisiae.
Madurez de la cáscara del plátano: Uno de los objetivos del proyecto es analizar que
cáscara de plátano (maduro o verde) produce mayor cantidad de bioetanol.
Potencial de hidrógeno inicial: Es esencial para el crecimiento del microorganismo
tener un medio de cultivo con un pH adecuado; esta variable será constante en el inicio
de la fermentación.
Temperatura: Al igual que el pH, es una variable muy importante para el crecimiento
óptimo del microorganismo, en caso de estar fuera del rango, se puede producir
inhibición o muerte del microorganismo. Esta variable será contaste durante todo el
proceso de fermentación.
2.4.2. Identificación de variables dependientes
Son aquellas que representan una cantidad que depende del comportamiento de la variable
independiente [56].
Concentración final de azucares reductores: Al iniciar la fermentación, los
microorganismos empiezan a consumir los azucares fermentables, que son su principal
fuente de nutrientes.
Concentración final de microorganismos: Después de ser inoculados, no se puede
cuantificar el su crecimiento, por ende, es una variable que no puede ser controlada y
que depende del tipo de nutrientes y de las condiciones del cultivo como pH,
temperatura y agitación.
Potencial de hidrógeno final: Esta variable, depende de la cantidad de bioetanol que
se produzca en el proceso de fermentación, pues la levadura Saccharomyces cerevisiae,
50
cambia abruptamente el pH para evitar competir por sustrato con otros
microorganismos.
2.4.3. Selección de la variable de respuesta
Concentración de bioetanol: Es la variable de estudio mayor interés, pues el objetivo general
del proyecto es obtención de bioetanol, y de esto dependerá la factibilidad de llevar el proyecto
a una escala industrial o no.
2.5. Selección del diseño de experimentos
Para seleccionar el diseño de experimentos, es necesario tener en cuenta las variables que se
van a estudiar y la cantidad de réplicas, además de una planeación adecuada al momento de
realizar los experimentos. En este trabajo se estudiará el comportamiento de dos variables
independientes:
Concentración inicial de microorganismos: Se evaluarán tres concentraciones
iniciales de microorganismos tanto para la cáscara de plátano maduro como la cáscara
de plátano verde.
Madurez de la cáscara de plátano: Se evaluarán dos estados de madurez de la cáscara
de plátano, cuando aún está verde y cuando ha alcanzado parte de su madurez.
Tabla 6.
Interrelación de variables.
Nota. La tabla muestra la interrelación de las variables a estudiar.
Cantidad microoganismo (g) Cáscara Madura Cáscara verde
1,10 T1 T2
5 T3 T4
10 T5 T6
51
Las diferentes cantidades de microorgismos se seleccionaron teniendo en cuenta la relación de
10 g de levadura por libra de biomasa [57]. Para la primera cantidad, se calculó la cantidad de
microorganismo para 50 g de biomasa, lo cual nos arroja un valor de 1,10g; se proponen dos
cantidades mayores, con el fin de conocer qué cantidad producirá mayor bioetanol.
Figura 13.
Representación gráfica del diseño experimental.
Nota. En la Figura 13 se observa el diseño experimental utilizado que corresponde al diseño
factorial 3x2.
Se seleccionó un diseño de experimentos factorial 3x2, que tiene 2 factores, concentración inicial
de microorganismo (A) y madurez de la cáscara de plátano (B), 3 niveles para el factor A y dos
niveles para el factor B. La secuencia de experimentos tendrá una réplica para un total de 12
experimentos. En la Figura 13 se presenta gráficamente el arreglo factorial 3x2, en él podemos
observar que hay tres niveles a evaluar en el eje x, que corresponden a las diferentes cantidades de
levaduras y dos niveles en eje y, correspondientes al nivel de maduración de la cáscara de plátano.
En la Tabla 7 se muestran los tratamientos que se realizarán para conocer la concentración de
etanol obtenido, donde CM es la abreviación de cáscara madura y CV cáscara verde.
52
Tabla 7.
Diseño factorial 3x2 con una réplica.
Nota. En la tabla anterior se muestran los tratamientos que se realizarán para
conocer la concentración de etanol obtenido, donde CM es la abreviación de cáscara
madura y CV cáscara verde.
El análisis más adecuado para los resultados de la experimentación es ANOVA, donde se analiza
el efecto del factor A, el efecto del factor B y el efecto de las interacciones del factor A y B en las
variables de respuesta [58].
2.6. Procedimiento experimental
En esta sección se describen los procedimientos utilizados para la obtención de bioetanol. En la
Figura 14 se presenta un esquema general de la metodología experimental utilizada en el que se
presentan además los métodos analíticos utilizados en la determinación de azúcares reductores
(DNS) y la determinación del contenido de alcohol usando un alcoholímetro del tipo Gay-Lussac.
Tratamiento Cantidad inicial de
microorganismo (g)
Madurez cáscara
1 1,10 CM
2 5 CM
3 10 CM
4 1,10 CV
5 5 CV
6 10 CV
7 1,10 CM
8 5 CM
9 10 CM
10 1,10 CV
11 5 CV
12 10 CV
53
Figura 14.
Procedimiento experimental utilizado.
Nota. En la figura se describen los pasos necesarios para llevar a cabo el proceso experimental
de la tesis.
2.6.1. Pretratamiento
Antes de realizar la hidrólisis, es necesario disminuir el tamaño de partícula de la cáscara de
plátano, someterla a una explosión de vapor y despresurizar rápidamente con el fin de romper
parcialmente los enlaces lignina-carbohidrato [5] para que la celulosa presente sea más
accesible en el proceso de hidrólisis.
2.6.1.a Disminución de tamaño de partícula. En este procedimiento, se pica la cáscara de plátano
tanto madura como verde, en trozos de 1 cm a 2 cm [59]. Y se pesaron 150 g de cáscara madura
y 150 g de cáscara verde.
54
Figura 15.
(a) Cáscaras cortadas, (b) pesaje de cáscaras maduras, (c) cáscaras verdes.
Nota. En las imágenes mostradas se puede apreciar el
procedimiento de corte y medición de masa de las
cáscaras de plátano.
2.6.1. b Explosión de vapor. Los trozos de cáscara de plátano se llevan al autoclave a una T=
100°C durante 15 minutos. Se realizó otra explosión de vapor en una olla a presión durante 15
minutos para obtener un jarabe rico en azúcares y utilizarlo al momento de hacer la medición
de °brix iniciales.
(a)
(b) (c)
55
2.6.2. Hidrólisis
En esta etapa se busca facilitar la producción de azúcares fermentables, mediante el rompimiento
de enlaces en los carbohidratos complejos para obtener azúcares simples y así facilitar la acción
de los microorganismos al momento de llevar a cabo la fermentación.
2.6.2.a Hidrólisis alcalina. Este tratamiento es capaz de separar tanto la hemicelulosa como la
lignina. Para llevarlo a cabo, se sumergió la biomasa obtenida después de la explosión de vapor en
una solución de NaOH al 3% durante 180 minutos, con una relación sólido-líquido de 1:10 a
temperatura de ambiente para eliminar la lignina [60]. Una vez pasados los 180 minutos se
procedió a hacer un lavado para neutralizar el pH de la cáscara.
2.6.2.b Hidrólisis ácida. De este proceso se obtiene una fracción liquida rica en azucares
fermentables y otra sólida compuesta principalmente de celulosa y lignina. Se utilizó una relación
sólido-líquido 1:8 con H2SO4 al 2% a una T=155°C [60]. Se hace un montaje de reflujo y se realiza
el proceso de hidrólisis ácida por un período de 20 minutos. Este reflujo permite minimizar la
pérdida de ácido por efectos de evaporación y a su vez favorece la efectividad de la reacción de
hidrólisis permitiendo la liberación de azúcares fermentables. Una vez finalizada la hidrólisis, se
separa el material, utilizando un filtro al vacío, para obtener un jarabe rico en azúcares
fermentables, sin embargo, tanto el jarabe obtenido como el mosto es usado al momento de hacer
la fermentación. Se hace la determinación de los azucares reductores por el método DNS (Anexo
1).
2.6.3. Molienda
Una vez finalizada la hidrólisis ácida, se realizó un proceso de molienda para obtener tamaños
de partícula de 1 mm a 2 mm [57]. Se midió el pH del mosto obtenido, y se neutralizó con
NaOH 1 N.
2.6.4. Fermentación
En esta etapa, los microorganismos actúan de forma anaeróbica sobre los azucares fermentables
obtenidos de la cáscara de plátano, produciendo etanol y dióxido de carbono durante el
metabolismo de la glicolisis.
56
Para este procedimiento, se adicionó el jarabe y el mosto obtenidos durante la hidrólisis en un
Erlenmeyer de 500 mL. Se realizó la activación de la levadura Saccharomyces cerevisiae y se
adicionó al Erlenmeyer, el cual fue tapado correctamente con un tapón de corcho con una salida,
al que se le adecuo un tubo en U de vidrio con un extremo conectado el tapón y el otro
sumergido en agua, para permitir la salida de gases, pero no la entrada al sistema de
fermentación. Se dejó en reposo durante 8 días [40].
2.6.5. Filtración
Una vez transcurridos los 8 días dispuestos para la fermentación, se procede a filtrar el mosto
obtenido, con el fin de separar la biomasa. La filtración tuvo una duración de 24 horas
Figura 16.
Procedimiento experimental para la fermentación y
purificación del alcohol.
Nota. En la figura se observa (a) la adición de los
organismos Saccharomyces cerevisiae al Erlenmeyer,
(b) microorganismos activados, (c) filtración del caldo,
(d) montaje de destilación.
(c
(a (b
(d
57
Una vez realizada la filtración, se midió el volumen de líquido fermentado en una probeta
graduada.
2.6.6. Destilación
En esta etapa, se procede a hacer la separación de la mezcla agua-etanol. Se adicionó el mosto
filtrado a un matraz de fondo redondo, al que se le agregaron perlas de ebullición. Se realizó el
montaje de destilación, cuidando que el mostro filtrado no superará una temperatura de 78°C y
disponiendo de un vaso de precipitado de 100 mL para recibir el destilado [12].
2.6.7. Determinación grados de alcohol
El destilado obtenido se agita y se pasa a una probeta de 100 mL, se ajusta la temperatura a
20°C y se completa el volumen hasta 100 mL con agua destilada. Se procede a sumergir el
hidrómetro Gay Lussac, evitando el contacto de las paredes de la probeta y se leen los grados
de alcohol [61].
Figura 17.
Medición del contenido de alcohol.
Nota. En la figura se puede apreciar
la medición del grado de alcohol
obtenido usando el hidrómetro Gay
Lussac.
58
2.7. Metodología para el diseño y dimensionamiento de la planta a escala piloto
En este capítulo, se describen los requerimientos técnicos para la obtención de bioetanol a partir
de cáscaras de plátano. Para ello se tuvo en cuenta los resultados obtenidos en el desarrollo
experimental, seleccionado las condiciones más favorables para la obtención de bioetanol.
A continuación, se plantea el conjunto de equipos que se requieren para llevar a cabo el proceso
productivo de bioetanol a partir de cáscaras de plátano, así como sus dimensiones y
requerimientos técnicos.
2.7.1. Dimensionamiento de la máquina de corte
El pretratamiento de la materia prima inicia con una corte o troceo inicial para disminuir el tamaño
de esta y facilitar su manejo. Se siguió la metodología reportada por Okafor [62]. Las ecuaciones
utilizadas son las siguientes:
Ecuación 3.
𝜏 = 𝐸𝑐á𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎 × 𝑔 (3)
Dónde 𝜏, es el torque necesario en la máquina cortadora, 𝐸𝑐á𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎 la energía necesaria para realizar
el corte, la cual tiene un valor de 0.074 N-m [62] y 𝑔 es la aceleración gravitacional (9.81 m/s2).
El torque operacional tiene un sobrediseño del 50% para asegurar el corte de elementos indeseados
más difíciles de cortar o variaciones en la dureza de la materia prima misma.
Ecuación 4.
τop = 1.5τ (4)
La velocidad angular fue calculada considerando unas revoluciones por minuto (rpm) de 75 a
partir de la ecuación 5.
Ecuación 5.
ω =2π × rpm
60
(5)
La potencia requerida se determinó a partir de la ecuación 6.
59
Ecuación 6.
P = τopω (6)
A partir de la potencia determinada se selecciona la referencia comercial más adecuada.
2.7.2. Dimensionamiento de la máquina de molienda
La operación de molienda llevada a cabo a las cáscaras previamente cortadas se diseñó a partir
de la metodología propuesta por McCabe y colaboradores [63] a partir de la ley de molienda
contenida en la Ecuación 7.
Ecuación 7.
P
m= 0.3162Wi (
1
√Dpb
−1
√Dpa
) (7)
Dónde 𝑃 es la potencia requerida para la molienda, �� el flujo másico de materia prima, 𝑊𝑖 el
índice de molienda específico de la materia, 𝐷𝑝𝑏 el diámetro de partícula deseado y 𝐷𝑝𝑎 el diámetro
suministrado. Para las cáscaras se tomó un valor del índice de molienda promedio de 793.9, basado
en el valor reportado de selectos materiales agroindustriales [64].
2.7.3. Dimensionamiento de los reactores
Se ha seleccionado un reactor tipo Batch agitado, dada su facilidad de operación y control, y bajos
requerimientos en instrumentación. Se utilizó la ecuación 8 para determinar el tiempo total del
batch [65].
Ecuación 8.
tB = tF + tR + tC + tE (8)
Dónde:
tB = tiempo total del batch
tF = tiempo necesario para realizar la carga
tR = tiempo de reacción
60
tC = tiempo necesario para enfriar
tE = tiempo para vaciar y limpiar
El volumen del fermentador fue determinado de acuerdo con la ecuación 9.
Ecuación 9.
VR =mtBρ′
(9)
Dónde 𝜌′ es la densidad del fluido a reaccionar y 𝜌′ su flujo másico
Para el fermentador Se seleccionó un tiempo de reacción de diseño de 120 horas basados en los
estudios [66] y además se usó una relación H/D=1.5. Para los reactores de hidrólisis se utilizó el
mismo tiempo utilizado en la reacción y una relación H/D=1.
2.7.3. a Diseño mecánico. Para el cálculo del espesor de la pared del fermentador se debe calcular
la presión total, la cual es la suma de la presión estática y la presión de operación [67].
Ecuación 10.
𝑃𝑠 = 𝜌′𝑔𝐻
(10)
El espesor estará dado por la ecuación 11.
Ecuación 11.
𝑡𝑝 =𝑃𝑑𝐷𝑖
2𝑆𝐸 − 1.2𝑃𝑑
(11)
Dónde 𝐷𝑖 (in) es el diámetro de la torre, 𝑆 (psi) es la resistencia al estrés del material, que para el
caso específico del fermentador utilizó acero al carbón debido a su economía y gracias a que los
fluidos de trabajo no son corrosivos. E es la eficiencia de la soldadura. Para las etapas de hidrólisis
se utilizó acero inoxidable dada la naturaleza corrosiva de los reactivos utilizados.
61
2.7.4. Dimensionamiento del filtro prensa
Para el diseño del filtro se partió del contenido de sólidos presentes en la corriente que ingresa a
este equipo. Se estableció como duración de un batch de filtración de 4 horas. Para el
dimensionamiento del filtro se siguió la metodología utilizada por Deltreil y colaboradores [68].
El número de ciclos 𝑁𝑐 se calcula a partir de la ecuación 12 como del tiempo diario de
operación 𝑡𝑜𝑝 y la duración del batch, 𝑡𝑏.
Ecuación 12.
𝑁𝑐 =𝑡𝑜𝑝
𝑡𝑏
(12)
La carga de sólidos (𝐶𝑠) se calcula a partir del flujo de material fermentado (��𝑓) y el contenido
de sólidos (𝑊𝑠).
Ecuación 13.
𝐶𝑠 = ��𝑓𝑊𝑠
(13)
Los sólidos para remover por ciclo se determinan a partir de la ecuación 14, donde 𝐶𝑠,𝑐 son los
sólidos por ciclo.
Ecuación 14.
𝐶𝑠,𝑐 =𝐶𝑠
𝑁𝑐
(14)
Se asumió un contenido de sólidos en la torta (𝑆𝑐𝑎𝑘𝑒) del 30% con base a experiencias industriales
en la operación de este tipo de filtros. 𝜌𝑐𝑎𝑘𝑒 Es la densidad de la torta. El volumen de torta se
calculó a partir de la ecuación 15:
Ecuación 15.
𝑉𝑐𝑎𝑘𝑒 =𝐶𝑠,𝑐
𝑆𝑐𝑎𝑘𝑒𝜌𝑐𝑎𝑘𝑒
(15)
62
El número de celdas necesarias para la construcción del filtro estará dado por el volumen
individual de cada cámara de filtración y depende de las especificaciones del fabricante. El
número de celdas se determina a partir de la ecuación 16:
Ecuación 16.
𝑁𝑐𝑒𝑙𝑙 =𝑉𝑐𝑎𝑘𝑒
𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙
(16)
𝑁𝑐𝑒𝑙𝑙 es el número de celdas necesarias y 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙 es el volumen individual de cada celda.
2.7.5. Dimensionamiento torre de destilación
El cálculo del número de etapas teóricas se utilizó el método McCabe-Thiele utilizando una
relación de reflujo 1,5 veces el mínimo, valor que se encuentra en el rango de lo recomendado por
Ludwing [69]. La alimentación en la columna es en fase líquida y se asumió una eficiencia de los
platos del 85%.
Se estableció una pureza para el bioetanol obtenido del 99%, la fracción másica en la alimentación
fue obtenida con base en los resultados experimentales obtenidos en la presente investigación para
el escenario con el mejor rendimiento de biomasa: 8%, estos resultados fueron congruentes con lo
reportado por Itelima y colaboradores [70]. Para simplificar los cálculos se tuvieron en cuenta los
componentes mayoritarios del sistema: etanol y agua. Para convertir las fracciones en peso a
fracciones molares podemos usar las siguientes ecuaciones:
Ecuación 17.
𝑋𝐹𝐸𝑡𝑂𝐻 =
% en peso de etanol en FPMEtOH
% en peso de etanol en FPMEtOH
+% en peso de agua en F
PMH2O
(17)
Por ser un sistema binario:
63
Ecuación 18.
xAH2O
= 1 − xAEtOH
(18)
Para calcular el flujo molar de la alimentación tenemos la ecuación 19:
Ecuación 19.
F =F(𝑊𝐴EtOH)
PMEtOH+
F(𝑊𝐴H2O)
PMH2O
(19)
Balance global:
Ecuación 20.
F = D + B
(20)
Balance global de etanol:
Ecuación 21.
𝑋𝐹𝐸𝑡𝑂𝐻(F) = 𝑋𝐵𝐸𝑡𝑂𝐻B + 𝑋𝐷𝐸𝑡𝑂𝐻D
(21)
Dónde:
F: hace referencia al flujo molar de la alimentación .
D: hace referencia al flujo molar del destilado.
B: hace referencia al flujo molar de fondos.
𝑋𝐹𝐸𝑡𝑂𝐻: fracción molar de etanol en F.
𝑋𝐹𝐻2𝑂: fracción molar de agua en F.
PMEtOH: peso molecular del etanol.
PMH2O ∶ Peso molecular del agua.
𝑊𝐹𝐸𝑡𝑂𝐻: fracción en peso del etanol en F.
𝑊𝐹𝐻2𝑂: fracción en peso de agua en F.
𝑋𝐵𝐸𝑡𝑂𝐻: fracción molar de etanol en los fondos.
𝑋𝐷𝐸𝑡𝑂𝐻: fracción molar de etanol en el destilado.
64
Determinamos la línea de enriquecimiento mediante la ecuación 22:
Ecuación 22.
𝑦 =𝑅𝑚𝑖𝑛
𝑅𝑚𝑖𝑛 + 1𝑥 +
1
𝑅𝑚𝑖𝑛 + 1∗ 𝑥𝐷
(22)
Determinamos la línea de agotamiento mediante la ecuación 23:
Ecuación 23.
𝑦 =𝐿
𝑉𝑥𝑚 −
𝐵
𝑉∗ 𝑥𝐷
(23)
2.7.5.a Diseño mecánico de la torre de destilación. Para el cálculo de las dimensiones de la columna
se usó el método recomendado por Ludwing [69]. Se asumió un espaciamiento de los platos de
15”, valor que se encuentra dentro del rango de valores comunes para torres de destilación de
platos y es consistente con la siguiente gráfica.
65
Figura 18.
Factores de flujo “C” para torres de destilación en función de la tensión
superficial.
Nota. En la figura se muestran factores de flujo “C” como función de la
tensión superficial. Para un determinado valor de la tención superficial a lo
largo de la columna, y asumiendo un espaciamiento se lee en el eje de las
ordenadas el factor C, necesario para estimar la velocidad máxima
permisible y el diámetro de la columna. Tomado de: E. E. Ludwing, Applied
process design for chemical and petrochemical plants, vol. 3. 2001..
La velocidad máxima permisible se calculó usando la siguiente ecuación:
Ecuación 24.
𝑊 = 𝐶(𝜌𝑉(𝜌𝐿 − 𝜌𝑉))12
(24)
Dónde:
W = velocidad máxima permisible (lb
ft2h)
ρL = densidad del líquido (lb
ft3)
66
ρV = densidad del vapor (lb
ft3)
El diámetro de la columna es determinado entonces a partir de la siguiente ecuación:
Ecuación 25.
D = (4V′
πW)
12
(25)
Dónde:
𝑉′ = 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑙𝑏
ℎ
Para el cálculo del espesor del material para la fabricación del cuerpo y la falda de la columna se
siguió utilizado la metodología usada por González, quien realizó el diseño para una planta de
producción de etanol usando conversión térmica y solar [72]. La presión de diseño está dada por:
Ecuación 26.
𝑃𝑑 = exp{0.60608 + 0.91615[ln(𝑃0)] + 0.0015655[ln(𝑃0)]2}
(26)
El espesor de diseño estará dado por:
Ecuación 27.
𝑡𝑝 =𝑃𝑑𝐷𝑖
2𝑆𝐸 − 1.2𝑃𝑑
(27)
Dónde 𝐷𝑖 (in) es el diámetro de la torre, 𝑆 (psi) es la resistencia al estrés del material, que para el
caso especifico de este diseño se utilizó acero al carbón debido a su economía y gracias a que los
fluidos de trabajo no son corrosivos. E es la eficiencia de la soldadura.
El espesor que resiste el viendo se calcula de acuerdo con el valor de la siguiente relación:
67
Ecuación 28.
(𝐿𝐷𝑖
)2
𝑃𝑑< 1.34 → 𝑡𝑣 = 𝑡𝑝
10 >(𝐿𝐷𝑖
)2
𝑃𝑑> 1.34 → 𝑡𝑣 = 𝑡𝑝
[ 0.75 + 0.22𝐸
(𝐿𝐷𝑖
)2
𝑃𝑑
]
> 10 𝐷𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑛𝑜 𝑣𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒
(28)
El espesor final estará dado por:
Ecuación 29.
𝑡𝑚𝑐 = 𝑡𝑣 + 𝑡𝑐 + 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
(29)
Donde 𝑡𝑚𝑐 es el espesor recomendado para la torre (sujeto a disponibilidad comercial), 𝑡𝑐 el
espesor por corrosión y finalmente el incremento por seguridad.
68
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS EXPERIMENTALES
En este capítulo, se van a exponer los resultados y los análisis correspondientes al proceso de
producción de bioetanol a partir de cáscara de plátano obtenido en la fase experimental del
proyecto.
3.1. Caracterización de la materia prima
La caracterización de la materia prima se hizo en la etapa de Pretratamiento, en la cual se
hicieron mediciones como pH inicial y densidad. En la etapa de Pretratamiento, se realizó la
medición de °Brix iniciales luego de la explosión de vapor en olla a presión y la determinación
de azúcares reductores totales presentes en las cáscaras de plátano una vez finalizadas las
hidrólisis (alcalina y ácida); se tuvo en cuenta la caracterización descrita en el capítulo 1 y la
composición de la cáscara de plátano descrita en el capítulo 2.
3.1.1. Medición de densidad y pH
Para la medición de la densidad, se pesaron 10,09 g de cáscara de plátano madura y se agregaron
a una bureta con un volumen inicial de agua de 86 mL, al agregar la cáscara, se obtuvo un
volumen final en la bureta de 96 mL y aplicando la Ecuación 1, se halló la densidad de la cáscara
de plátano. Se realizó el mismo procedimiento para la cáscara de plátano verde.
Ecuación 30.
𝝆 =𝒎𝒂𝒔𝒂 (𝒈)
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 (𝒎𝑳) − 𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 (𝒎𝑳)
(30)
𝝆𝑪𝑴 =𝟏𝟎, 𝟎𝟗 𝒈
𝟗𝟔 𝒎𝑳 − 𝟖𝟔 𝒎𝑳 𝝆𝑪𝑽 =
𝟏𝟎, 𝟐𝟏 𝒈
𝟗𝟕 𝒎𝑳 − 𝟖𝟔 𝒎𝑳
Para el cálculo del pH inicial de cada tipo de cáscara se utilizó un potenciómetro. En la Tabla 8
se pueden observar los resultados obtenidos.
69
Tabla 8.
Parámetros iniciales cáscaras de plátano.
Nota. La tabla muestra las mediciones de los parámetros
pH y densidad iniciales.
Se puede observar que la cáscara madura tiene un pH menor al de la cáscara verde. Por otro
lado, la densidad de la cáscara madura es mayor a la cáscara verde, esto es gracias a que, durante
la maduración, aumenta la cantidad de azucares presentes en la cáscara.
3.1.2. Grados Brix
Al momento de hacer la medición de los °Brix iniciales, se tomó una muestra del jarabe
obtenido en el proceso de explosión a vapor en olla a presión.
Se tomaron tres muestras de cada tipo de cáscara; los °Brix promedio para la cáscara verde
fueron 1,67 y para la cáscara madura 2,27, esto nos confirma que hay mayor cantidad de
azucares presentes en la cáscara madura que en la verde. La cantidad de °Brix está directamente
relacionada con la cantidad de bioetanol que se va a obtener una vez finalizado el proceso de
producción. En la Tabla 9, se observan los resultados de medición de °Brix iniciales obtenidos.
Tabla 9.
Grados Brix iniciales.
Nota. Los datos mostrados en la tabla fueron obtenidos utilizando un refractómetro.
Materia Prima Ph Densidad
Cáscara Verde 6,5 1,006
Cáscara Madura 6 1,017
Muestra °Brix cáscara verde °Brix cáscara madura
1 2 2,4
2 0,9 2,2
3 2,1 2,2
70
3.1.3. Determinación de azúcares reductores por el método DNS
La concentración de glucosa en las cáscaras de plátano, se obtuvo a través de la determinación
de azúcares reductores por el método DNS, para ello se realizó una curva de calibración (Anexo
1) utilizado 6 muestras con diferentes concentraciones conocidas de glucosa, y se tomó una
muestra de 2 mL de cada tipo de cáscara del jarabe obtenido en la hidrólisis ácida a las cuales
se les adicionó 2 mL de reactivo DNS; obteniendo mediante la ecuación de la recta obtenida en
la curva de calibración ecuación (25) y la Ley de Lambert-Beer ecuación (26) que en la cáscara
madura había una concentración de glucosa de 0,0304 M y en la cáscara verde 0,01756 M.
Ecuación 31.
𝒚 = 𝟓, 𝟖𝟔𝟐𝟗𝒙 + 𝟎, 𝟎𝟑𝟗𝟒 (31)
𝒓𝟐 = 𝟎, 𝟗𝟖𝟖
Ecuación 32.
𝐴𝑏𝑠 = 𝜀 ∗ 𝑏 ∗ 𝑐 (32)
3.2. Diseño de Experimentos
El diseño de experimentos es crucial al momento de plantear la experimentación de un trabajo
de investigación, pues su objetivo es analizar el funcionamiento de un proceso y las variables
que lo afectan, para así poder establecer una ruta de acción o mejorarla.
En este caso específico, el diseño de experimentos se utilizó para analizar qué tanto afecta la
concentración de levadura y el estado de madurez a la obtención de bioetanol y así aceptar o
rechazar las hipótesis planteadas.
3.2.1. Hipótesis
Es una afirmación sobre los valores de los parámetros de una población o un proceso, que puede
probarse a partir de la información contenida en una muestra.
Factor A: Concentración de microorganismos.
Factor B: Madurez de la cáscara de plátano.
Variable de respuesta: Obtención de bioetanol.
71
Factor A.
HO: α = 0: La concentración de microorganismos no tiene efecto sobre la obtención de
bioetanol.
Hi: α ≠ 0: La concentración de microorganismos afecta la obtención de bioetanol.
Factor B.
HO: β= 0: La madurez de la cáscara de plátano no tiene efecto sobre la obtención de bioetanol.
Hi: β ≠ 0: La madurez de la cáscara de plátano afecta la obtención de bioetanol.
Interacción de los factores A y B.
HO: αβ= 0: No hay efecto en la interacción de la concentración de microorganismos y la
madurez de la cáscara de plátano sobre la obtención de bioetanol.
Hi: αβ ≠ 0: Hay efecto en la interacción de la concentración de microorganismos y la madurez
de la cáscara de plátano sobre la obtención de bioetanol.
3.2.2. Datos experimentales obtenidos
Los resultados obtenidos del diseño de experimentos formulado se presentan en la Tabla 10.
72
Tabla 10.
Grados de alcohol por tipo de cáscara obtenidos experimentalmente.
Cantidad de levadura (g) Grados de alcohol en
cáscara madura
Grados de alcohol en
cáscara verde
1,10 2 0
0 0
5 4 0
2 0
10 7 2
5 2
Nota. En la tabla se observan los grados de bioetanol experimentales obtenidos en las dos
réplicas realizadas.
3.2.3. Análisis estadístico
El diseño de experimentos seleccionado es un diseño factorial 3x2 con una réplica, para un total
de 12 experimentos. Por lo tanto, hay dos factores A y B con a niveles del Factor A y b niveles
del Factor B, donde cada réplica incluye todas las combinaciones del tratamiento ab.
El análisis estadístico, se llevó a cabo mediante el análisis de varianza ANOVA, utilizando la
herramienta Excel como software. A continuación, se muestran los resultados obtenidos.
73
Tabla 11.
Análisis estadístico ANOVA.
Fuente Suma de
cuadrados
Grados
de
libertad
Promedio de
los
cuadrados
F Valor crítico
para F
A 26 2 13 13 5,14
B 21,33 1 21,33 21,33 5,99
Interacción
AB
4,67 2 2,33 2,33 5,14
Bloques 6 6 1
Total 58 11
Nota. En la tabla, se evidencia los resultados del análisis estadístico ANOVA, realizado
mediante la herramienta Excel.
3.2.4. Conclusiones
Factor A.
Para el Factor A, la tabla de análisis de varianza arroja un valor FA de 13 y un valor F de tablas
de 5,1333 (FA > Ftablas), así que se acepta Hi, que nos dice que la concentración de
microorganismos afecta la obtención de bioetanol.
Factor B.
Para el Factor B, la tabla de análisis de varianza arroja un valor FB de 21,3333 y un valor F de
tablas de 5,9874 (FB > Ftablas), así que se acepta Hi, que nos dice que la madurez de la cáscara
de plátano afecta la obtención de bioetanol.
74
Interacción de los factores A y B.
Para el Factor AB, la tabla de análisis de varianza arroja un valor FAB de 2,3333 y un valor F de
tablas de 5,1433 (FAB < Ftablas), así que se acepta HO, que nos dice que no hay efecto en la
interacción de la concentración de microorganismos y la madurez de la cáscara de plátano sobre
la obtención de bioetanol.
3.3. Rendimiento Fermentación (gramos etanol producidos/azúcar consumido)
En un proceso de fermentación hay dos rendimientos importantes; el que expresa la cantidad
de biomasa producida a partir del sustrato consumido (YX/S), que se ve afectado por variables
como la composición del medio, la naturaleza de las fuentes de carbono y nitrógeno, pH,
temperatura y la concentración de oxígeno; y el rendimiento del producto a partir del sustrato
YP/S que en términos económicos es más importante. En este trabajo solo se evaluará el
rendimiento de producto a partir de sustrato YP/S, que está definido por ecuación 33 la [73].
Para ello es necesario conocer la concentración de glucosa obtenida en la determinación de
azúcares reductores por el método DNS; en la Tabla 12 se muestran los resultados obtenidos. }
Ecuación 33.
𝑌𝑷/𝑺 = 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 (𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙)
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜
(33)
75
Tabla 12.
Resultado determinación de azúcares reductores por el método DNS.
Muestra Absorbancia V. Hidrolizado (L) Concentración glucosa (g/L)
T1 0,351 0,378 12,810
T2 0,432 0,376 15,766
T3 0,543 0,380 19,818
T4 0,567 0,382 20,693
T5 0,423 0,379 15,438
T6 0,478 0,378 17,445
T7 0,456 0,380 16,642
T8 0,532 0,382 19,416
T9 0,315 0,376 11,496
T10 0,456 0,383 16,642
T11 0,367 0,379 13,394
T12 0,432 0,381 15,766
Nota. En la tabla se observan los resultados de la determinación de azúcares reductores por
el método DNS de cada uno de los tratamientos después de haber realizado el proceso de
hidrolisis. Donde los tratamientos 1,2 y 3 hacen referencia a la cáscara madura con
cantidades de levadura agregadas de 1,10 g, 5 g y 10 g, respectivamente. Los tratamientos
4,5 y 6 hacen referencia a la cáscara verde del plátano con cantidades de levadura iguales
a las agregadas en los tratamientos 1,2 y 3. Los tratamientos de 7 al 12 son réplicas de los
mencionados anteriormente.
Para determinar el rendimiento de la fermentación, es necesario conocer los azucares reducidos
y el porcentaje de conversión de esta. Para ello, se utilizó la ecuación 34 y la ecuación 35,
respectivamente. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 13.
Ecuación 34.
𝐴𝑅 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 (𝐿) ∗ 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 (𝑔
𝐿⁄ ) (34)
76
Ecuación 35.
% 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 = 𝐴𝑧ú𝑐𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜𝑠 (𝐴𝑅)
50 𝑔∗ 100% (35)
Tabla 13.
Azúcares reducidos y porcentaje de conversión obtenido
Nota. En la tabla podemos observar los gramos de azúcares reducidos durante
la fermentación y el grado de conversión de estos. Donde los tratamientos 1,2
y 3 hacen referencia a la cáscara madura con cantidades de levadura agregadas
de 1,10 g, 5 g y 10 g, respectivamente. Los tratamientos 4,5 y 6 hacen referencia
a la cáscara verde del plátano con cantidades de levadura iguales a las agregadas
en los tratamientos 1,2 y 3. Los tratamientos de 7 al 12 son réplicas de los
mencionados anteriormente.
Se observa un grado de conversión bastante bajo, dado que la cáscara de plátano es una materia
prima que se caracteriza por tener muy poca cantidad de glucosa disponible, la mayor parte de
Muestra Azucares reducidos (g) %Conversión
T1 4,842 9,685
T2 5,928 11,856
T3 7,531 15,061
T4 7,905 15,810
T5 5,851 11,702
T6 6,594 13,187
T7 6,324 12,648
T8 7,417 14,834
T9 4,323 8,645
T10 6,374 12,748
T11 5,076 10,153
T12 6,007 12,014
77
su composición es lignina y hemicelulosa, lo que hace que el microorganismo no actúe de forma
efectiva sobre estos azúcares complejos.
Para determinar el rendimiento de la fermentación se utilizó la ecuación 33, donde el producto
formado es la cantidad de etanol obtenida en gramos (Tabla 13) y el sustrato es la cantidad de
azúcares reducidos en gramos (Tabla 14).
Tabla 14.
Rendimiento de la fermentación.
Nota. En la tabla se muestra los resultados obtenidos del rendimiento de la fermentación.
Donde los tratamientos 1,2 y 3 hacen referencia a la cáscara madura con cantidades de levadura
agregadas de 1,10 g, 5 g y 10 g, respectivamente. Los tratamientos 4,5 y 6 hacen referencia a
la cáscara verde del plátano con cantidades de levadura iguales a las agregadas en los
tratamientos 1,2 y 3. Los tratamientos de 7 al 12 son réplicas de los mencionados
anteriormente.
Muestra Azucares reducidos (g) Bioetanol (g) Rendimiento YP/S
T1 4,842 0,272 0,056
T2 5,928 0,544 0,092
T3 7,531 0,952 0,126
T4 7,9049 0,000 0,000
T5 5,851 0,000 0,000
T6 6,5943 0,160 0,024
T7 6,324 0,000 0,000
T8 7,417 0,352 0,048
T9 4,323 0,880 0,204
T10 6,374 0,000 0,000
T11 5,076 0,000 0,000
T12 6,007 0,1600 0,027
78
3.4. Rendimiento Bioetanol.
El rendimiento de Bioetanol está definido como la cantidad de etanol producido por cantidad
de materia prima, mediante la ecuación 36.
Ecuación 36.
𝑅𝐵 = 𝑉𝐻 ∗ 𝐶𝑅
50 𝑔
(36)
Donde RB es la cantidad de bioetanol obtenido por cada gramo de biomasa, VH (L) es el volumen
final obtenido de cada hidrolizado, CR (g/L) es la concentración de etanol, que se calcula con la
ecuación 37 y los 50g hacen referencia a la cantidad de biomasa que se dispuso para cada
muestra.
Ecuación 37.
𝐶𝑅 = 𝐺𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑢é𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝐿)
(37)
Para determinar la concentración de etanol es necesario hallar la cantidad de gramos de alcohol
presentes en cada grado de alcohol obtenido, mediante la ecuación 38.
Ecuación 38.
𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 (𝑚𝐿) ∗ 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ∗ 0,8
100
(38)
Donde el volumen, hace referencia al volumen obtenido en la destilación.
Ecuación 39.
𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 = 17 𝑚𝐿 ∗ 2 ∗ 0,8
100= 0,272 𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙
(39)
79
Tabla 15.
Rendimiento de Bioetanol.
Nota. En la tabla se muestran los gramos de etanol y el rendimiento obtenido de cada tratamiento
donde los tratamientos 1,2 y 3 hacen referencia a la cáscara madura con cantidades de levadura
agregadas de 1,10 g, 5 g y 10 g, respectivamente. Los tratamientos 4,5 y 6 hacen referencia a la
cáscara verde del plátano con cantidades de levadura iguales a las agregadas en los tratamientos
1,2 y 3. Los tratamientos de 7 al 12 son réplicas de los mencionados anteriormente.
3.5. Análisis
En la etapa de pretratamiento, al momento de realizar el picado de la cáscara, no se tuvo
en cuenta la homogeneidad en el tamaño de esta. Se conoce que, en un proceso
productivo, aumentar el área de contacto de la materia prima mejora los rendimientos,
sin embargo, para el proceso de obtención de bioetanol mediante cáscara de plátano, no
T V. hidrolizado
(L)
V. filtrado
(L)
V.
destilado
(mL)
°Alcohol Alcohol (g) CR
(g/L)
RB
T1 0,378 0,046 17 2 0,272 5,913 0,045
T2 0,376 0,068 17 4 0,544 8,000 0,060
T3 0,38 0,078 17 7 0,952 12,205 0,093
T4 0,382 0,105 35 0 0,000 0,000 0,000
T5 0,379 0,117 40 0 0,000 0,000 0,000
T6 0,378 0,121 10 2 0,160 1,319 0,010
T7 0,38 0,058 13 0 0,000 0,000 0,000
T8 0,382 0,027 22 2 0,352 13,037 0,010
T9 0,376 0,049 22 5 0,880 17,959 0,135
T10 0,383 0,063 18 0 0,000 0,000 0,000
T11 0,379 0,034 10 0 0,000 0,000 0,000
T12 0,381 0,047 10 2 0,160 3,404 0,026
80
hay evidencia de un cambio en el rendimiento debido a tener diferentes tamaños de
trozos de cáscara de plátano en la etapa de picado.
En la fermentación, se obtuvo bajos rendimientos, dado que los °Brix iniciales obtenidos
fueron bastante bajos y esto tiene una repercusión directa en el rendimiento del
bioetanol. Los °Brix nos dice la concentración de azúcar presente en una muestra,
azúcares que van a ser fermentados por acción de la levadura; al tener poca
disponibilidad de azúcares, la fermentación tendrá un rendimiento bajo.
Dado que el rendimiento de la fermentación fue bajo, el rendimiento de bioetanol
también se vio afectado y se obtuvo resultados bajos. Esto también se debe a que en los
procesos de hidrólisis no se logró eliminar toda la lignocelulosa de las cáscaras, por
ende, hubo poca transformación de lignina en azúcares reductores totales.
En el proceso de hidrólisis, necesario para eliminar la lignocelulosa presente en la
cáscara de plátano y obtener azucares fermentables (glucosa, fructosa, maltosa), que
sirvan de nutriente para el microorganismo Saccharomyces Cerevisiae, es posible, que
se haya obtenido otros azúcares como la xilosa, galactosa, manosa, arabinosa y ácidos
orgánicos [74]. La presencia de estos azúcares en el mosto que se va a llevar a
fermentación, disminuye la acción del microorganismo, pues no son el tipo de azúcar
que el microorganismo va a degradar para poder obtener etanol; esto también influye
directamente con los bajos rendimientos en la fermentación y en la obtención de
bioetanol.
3.6. Análisis Externo.
Tabla 16.
Estudios previos.
Biomasa Parámetro Hidrólisis Resultados Referencias
Cáscara de
banano
maduro.
Concentración
de bioetanol
Enzimática
Se obtuvo una concentración de
bioetanol de 7% v/v, al agregar
0,03 g PEG/g biomasa al
[5]
81
hidrolizado (obtenido en la
hidrolisis enzimática por acción del
hongo Thrichoderma viride ), el
cual aumentó de 895,95 (±1) mg/L
de azúcares reductores.
Cáscara de
plátano
°Alcohol
Se alcanzaron concentraciones
significativas de bioetanol a partir
de noveno día de fermentación. La
mayor concentración de bioetanol
obtenida fue de 15° en el día
número 15 de fermentación y con
una temperatura de destilación de
83-84°C.
[57]
Cáscara de
plátano
°Brix
Ácida
En el análisis inicial de la materia
prima, se determinó un promedio
de 2,02 °Brix iniciales para la
cáscara verde y 2,36 °Brix iniciales
para la cáscara verde.
[75]
Cáscara y
pulpa de
banano de
rechazo
YP/S
Producción en continuo de
bioetanol utilizando células
inmovilizadas (Saccharomyces
cerevisiae) en alginato de sodio.
Obteniendo un rendimiento YP/S de
0,3 al utilizar un medio estándar y
0,48 en un medio de jugo de
banano. El rendimiento del
bioetanol obtenido en medio
estándar fue de 0,04.
[76]
Cascarilla
de cebada
Pureza de
bioetanol
Ácida
Los parámetros óptimos de
hidrólisis ácida son: concentración
de ácido 1%, temperatura 110°C y
tiempo máximo de 210 min, para
obtener un bioetanol con una
pureza del 30% y una
concentración de glucosa de 12,26
g/L en el hidrolizado.
[77]
82
Paja (Stipa
ichu)
Concentración
de bioetanol
Ácida
Se obtuvo una concentración de
bioetanol del 85% p/p y un
rendimiento de fermentación de
0,46, al someter la biomasa a una
hidrólisis ácida, compuesta de una
solución de ácido sulfúrico al 8% y
un tiempo de reacción de 6 horas.
[78]
Cascarilla
de arroz
°Alcohol
Ácida
Alcalina
Enzimática
Se obtuvo una concentración de
bioetanol de 12° tras realizar los
pretratamientos de hidrólisis ácida
con ácido sulfúrico al 0,4%,
hidrólisis alcalina con hidróxido de
sodio al 20% y cloruro de sodio al
0,5% e hidrólisis enzimática
mediante la acción del hongo
Thricoderma risee.
[79]
Tallos de
maíz
Concentración
de bioetanol
Ácida
La mayor concentración obtenida,
se dio al someter la biomasa a las
condiciones óptimas de hidrólisis
ácida (6% ácido, 30% sólido y 41
min), donde se obtuvo una
concentración de bioetanol de 24
g/L al transcurrir 18 horas de
fermentación.
[80]
Eichhornia
Crassipes
%Alcohol
Alcalina
Ácida
Se obtuvo una concentración de
bioetanol de 1% dado el poco
tiempo de fermentación (24h), sin
embargo, hubo un consumo total
del sustrato hidrolizado.
[81]
Cáscaras
de naranja
y piña
Concentración
de bioetanol
Alcalina
Ácida
El jarabe obtenido de la hidrólisis
alcalina con hidróxido de sodio y
sulfato de calcio y a hidrólisis ácida
con ácido sulfúrico al 5%, se llevó
a fermentación agitada durante 7
horas y se obtuvieron
concentraciones de bioetanol de 8,4
[82]
83
mg/g de bioetanol en el caso de las
cáscaras de naranja y de 1 mg/g de
bioetanol en el caso de las cáscaras
de piña.
Cáscara de
banano y
almidón de
yuca
Concentración
de bioetanol
Alcalina
Ácida
No se aprecia una concentración de
bioetanol considerable en ninguna
de las dos biomasa, pues se obtuvo
concentraciones menores a 0,1
mg/L.
[83]
Cáscara y
pulpa de
piña
Rendimiento
de bioetanol
La fuente de azucares para la
fermentación se obtuvo de la
mezcla del jugo de piña y agua y de
la mezcla de pulpa de piña,
cáscaras y agua.
La pureza obtenida del bioetanol
fue del 40% y un rendimiento de
4,34%
[84]
Nota. En la tabla se presentan los resultados previos obtenidos de producción de bioetanol a
partir de material lignocelulosico.
84
4. PROPUESTA DISEÑO DE PROCESO A ESCALA PILOTO
En este capítulo, se describen los requerimientos técnicos para la obtención de bioetanol a partir
de cáscaras de plátano. Para ello se tuvo en cuenta los resultados obtenidos en la Tabla 10, se
tomó como referencia de materia prima la cáscara madura y una cantidad de levadura de 10g
por cada 50g de cáscara, ya que fue el experimento con mayor obtención de bioetanol.
Como fruto base se seleccionó la variedad Dominico Hartón de plátano, se usaron las
características físicas del fruto reportadas por Castellanos y Lucas en 2011 [85], esta
información fue utilizada como base de cálculo de la fuerza de corte necesaria para el
procesamiento de 20,000 kg/mes de materia prima (cáscaras), las cuales corresponden a la
producción mensual de la empresa SIMAGRAT SAS. Se consideraron 8 horas operacionales
al día y 24 días al mes, además se consideró un factor de sobrediseño del 20%, en el caso de un
aumento en la generación de los residuos usados como materia prima que permita procesar
dicho aumento. En la Tabla 17 se muestran las características físicas del plátano.
Tabla 17.
Características físicas del plátano Dominico Hartón.
Nota. En la tabla se observan las características físicas del plátano Dominico Hartón
reportadas por Castellanos y Lucas en 2011. Tomado de: Castellanos, F., & Lucas, J.
(2011). Caracterización física del fruto en variedades de plátano cultivadas en la zona
cafetera de Colombia. Acta Agronómica, 60(2), 176–182.
Característica Valor
Peso total (kg) 200
Peso total de la cáscara (kg) 63,02
Peso total pulpa húmeda (kg) 136,98
Peso de un plátano (kg) 0,265
Longitud de un plátano (cm) 25
85
4.1. Diagrama de flujo del proceso
Para cada etapa del proceso a nivel laboratorio, se realizó el estudio de los equipos industriales
requeridos para cada operación del proceso. A continuación, se presenta la propuesta del
diagrama de proceso para la obtención de bioetanol a partir de cáscaras de plátano.
Figura 19.
Diagrama de flujo de proceso (PFD).
Nota. En el diagrama podemos observar todos los flujos de entrada y salida de cada equipo
empleados a lo largo del proceso.
A continuación, se plantea el conjunto de equipos que se requieren para llevar a cabo el proceso
productivo de bioetanol a partir de cáscaras de plátano, así como sus dimensiones y
requerimientos técnicos. Para el escalado del proceso se tomó como base 20 toneladas al mes
de cáscaras producidas por la empresa, tomando además un factor de sobrediseño del 20%. Por
otra parte, para el dimensionamiento de los equipos se mantuvo la relación másica entre los
reactivos utilizados.
86
Tabla 18.
Especificaciones capacidad de procesamiento.
Factor kg/mes kg/día kg/h
Flujo materia prima 20000,00 833,33 104,17
Factor de seguridad (+20%) 4000,00 166,67 20,83
Total 24000,00 1000,00 125,00
Nota. En la tabla se muestran las especificaciones operacionales de la planta en kg/mes, kg/día y
kg/h, así como los valores del factor de seguridad.
4.2. Dimensionamiento de la máquina de corte
Figura 20.
Esquema de la máquina de corte.
Nota. En la figura 20 se aprecia la máquina de corte, que entrega conchas
cortadas en trozos de aproximadamente 2 cm, a esta unidad entra la corriente
CASCARAS y sale (1), el flujo de ambas es de 125 kg/h.
87
4.2.1. Cálculo de la potencia requerida
Utilizando la ecuación 3, se calcula el torque de diseño, dónde la energía necesaria para hacer el
corte (𝐸𝑐á𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎 ) tiene un valor de 0.074 N-m. Al torque de diseño se le agrega un factor de
seguridad del 50%, véase ecuación 4.
𝜏 = 0,074 𝑁𝑚 × 9,81 𝑚/𝑠2
𝜏𝑜𝑝 = 1,5 ∗ 0,722
𝜏𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1,083 𝑁𝑚
Para determinar la velocidad angular se propuso unas revoluciones por minuto de 75.
𝜔 =2𝜋 × 75
60= 7,854 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Se halló la potencia requerida por la máquina de corte. Fue necesario calcular la potencia requerida
por kg y la capacidad nominal, para así poder obtener la potencia total, haciendo uso de las
siguientes ecuaciones.
𝑃 = 1,083 𝑁𝑚 ∗ 7,854 𝑟𝑎𝑑/𝑠
𝑊
𝑘𝑔⁄ = 𝑃 ∗ # 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑎𝑠
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =𝑡𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜(ℎ) ∗ ṁ
32
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =8 ℎ ∗ 125 𝐾𝑔/ℎ
32
Para ello, se propuso un tamaño de corte de 2,5cm y un diámetro por pieza de 5cm. Con esta
información se calculó el área total, el perímetro de cada pieza, el número de piezas y las piezas
por kg:
Ecuación 40.
𝐴𝑇 = 𝜋 ∗ 𝐷𝑖 ∗ 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑝𝑙á𝑡𝑎𝑛𝑜
(40)
𝐴𝑇 = 𝜋 ∗ 5𝑐𝑚 ∗ 25 𝑐𝑚
88
Ecuación 41.
𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 𝐷𝑖
(41)
𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 5𝑐𝑚
Ecuación 42.
# 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑎𝑠 =Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑐𝑚2)
𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒2(𝑐𝑚2)
(42)
# 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑎𝑠 =392,70 𝑐𝑚2
2,52𝑐𝑚
Ecuación 43.
# 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑎𝑠/𝑘𝑔 =# 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑎𝑠
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑝𝑙á𝑡𝑎𝑛𝑜 ∗ (𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐á𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑙á𝑡𝑎𝑛𝑜
)
(43)
# 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑎𝑠/𝐾𝑔 =62,8
0,265 ∗ (63,02200
)
Con los anteriores valores se puede obtener la potencia requerida por kg de cáscara de plátano.
𝑊𝑘𝑔⁄ = 8,506 𝑊 ∗ 62,8
Para hallar la potencia total requerida por la máquina de corte, se hace uso de las siguientes
ecuaciones.
Ecuación 44.
𝑃𝑇 =
𝑊𝑘𝑔⁄ ∗ 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
1000
(44)
𝑃𝑇 =534,451 𝑊/𝑘𝑔 ∗ 31,250
1000
89
Se hace la conversión de KW a HP utilizando el facto de conversión 1,34102, obteniendo una
potencia total requerida de 22,397 HP.
Este resultado se aproxima a 24 HP para poder seleccionar el motor más adecuado de una guía
de especificaciones de motores eléctricos (Anexo7).
Se determinó la relación de engranaje mediante la ecuación 45.
Ecuación 45.
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛𝑔𝑟𝑎𝑛𝑎𝑗𝑒 =𝑅𝑃𝑀
𝑅𝑃𝑀 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
(45)
Tabla 19.
Resumen parámetros de dimensionamiento para la máquina de corte.
Nota. En la tabla se muestran los valores de dimensionamiento obtenidos para seleccionar la
máquina de corte.
Parámetro Valor
Torque de diseño (N-m) 0,722
Factor de seguridad (+50%) 0,361
Energía para hacer un corte (kg-m) 0,074
Torque total (N-m) 1,083
Velocidad angular (rad/s) 7,854
Rpm de diseño 75,00
Potencia requerida (W) 8,506
W/kg 534,451
Capacidad nominal (kg) 31,250
Potencia total (kW) 16,702
Potencia total (HP) 22,397
90
Tabla 20.
Especificaciones del motor y precio.
Nota. La tabla nos muestra un resumen de las especificaciones técnicas del motor, tomadas de la
guía de motores eléctricos (Anexo 5), cuyo precio fue consultado en Industrias Protón (Anexo 8)
4.3. Dimensionamiento de la máquina de molienda
La operación de molienda llevada a cabo a las cáscaras previamente cortadas se diseñó a partir
de la metodología propuesta por McCabe y colaboradores [67], a partir de la ley de molienda.
Figura 21.
Esquema del molino.
Nota. En la figura se observa la máquina de
molienda a la que entra (1) y sale (2), estos
flujos másicos tienen un valor de 125 Kg/h.
Parámetro Valor
Potencia (kW) 24
Potencia (HP) 18,5
Corriente (A) 30,4
RPM 1180
Relación de engranaje 15,733
Precio (USD) 19862,78
Potencia Comercial 24
91
Tabla 21.
Especificaciones molienda.
Nota. En la tabla se puede observar un resumen de las
especificaciones del equipo de molienda, así como su costo,
encontrado en el manual del anexo 9.
4.4. Dimensionamiento del reactor para la hidrólisis alcalina
El diseño se realizó teniendo en cuenta el tiempo total utilizado por lote, en el que se incluye el
tiempo de carga y descarga, limpieza y el tiempo de reacción (el cual fue consistente con el
desarrollo experimental. Se determinó un tiempo total de 5,5 horas.
Parámetro Valor
Dpa (mm) 25
Dpb (mm) 2
Índice de trabajo (kWmm1/2/ton/h) 739,90
Flujo másico (ton/h) 0,125
Energía requerida (kW) 21,2164
Potencia disponible (kW) 90
Precio (USD) 9600
92
Figura 22.
Esquema del reactor de hidrólisis alcalina.
Nota. En la figura se muestra el esquema para
hidrólisis alcalina, en el que se adiciona soda
caustica (NAOH), ingresa la corriente
proveniente del molino (2) y sale la corriente
(3). Este reactor fue diseñado para tratar 167,
5 kg/h.
93
Tabla 22.
Resumen diseño del reactor de hidrólisis alcalina.
Parámetro Valor
Densidad fermentato (kg/m3) 1270
Flujo a tratar (kg/h) 167,50
Volumen (m3) 0,725
Sobrediseño (+20%) (m3) 1,016
Altura (H) 1,276
Diámetro (m) 0,851
Presión estática (kPa) 15,90
Presión de operación (kPa) 101,325
Máxima presión permitida (+33% kPa) 155,908
Espesor de diseño (mm) 5,596
Espesor comercial (mm) 6
Nota. La tabla nos muestra un resumen de los parámetros de diseño obtenidos para el reactor de
hidrólisis alcalina.
Se seleccionó acero inoxidable debido a que los fluidos utilizados pueden resultar corrosivos,
desde que se encuentran diluidos, se seleccionó la opción más económica. Las características se
resumen en la siguiente tabla:
Tabla 23.
Características del material seleccionado.
Parámetro Valor
Material Acero inoxidable, 18 Cr, 8 Ni
Grado 304
Resistencia mínima a la tensión (ksi) 75
Fuerza de fluencia mínima (ksi) 30
Temperatura máxima (°F) 1500
Nota. Resumen características mecánicas del acero al carbón. Tomado de: ASME, BPVC Section
II-Materials-Part A-Ferrous Materials Specifications. 2021.
94
4.5. Dimensionamiento del reactor para la hidrólisis ácida
El diseño se realizó teniendo en cuenta el tiempo total utilizado por lote, en el que se incluye el
tiempo de carga y descarga, limpieza y el tiempo de reacción (el cual fue consistente con el
desarrollo experimental. Se determinó un tiempo total de 2,7 horas.
Figura 23.
Esquema del reactor de hidrólisis
ácida.
Nota. En la figura se muestra el
esquema para hidrólisis alcalina, en el
que se adiciona ácido sulfúrico
(H2SO4), ingresa la corriente que
proviene de la hidrólisis alcalina (3) y
sale la corriente (4). Este reactor fue
diseñado para tratar 167, 5 kg/h.
95
Tabla 24.
Resumen diseño del reactor de hidrólisis ácida.
Parámetro Valor
Densidad fermentato (kg/m3) 1270
Flujo para tratar (kg/h) 167,50
Volumen (m3) 0,356
Sobrediseño (+20%) (m3) 0.499
Altura (H) 1,007
Diámetro (m) 0,671
Presión estática (kPa) 12,54
Presión de operación (kPa) 101,325
Máxima presión permitida
(+33% kPa)
118,006
Espesor de diseño (mm) 5,291
Espesor comercial (mm) 6
Nota. La tabla nos muestra un resumen de los parámetros de diseño obtenidos para el reactor de
hidrólisis ácida.
Se seleccionó acero inoxidable debido a que los fluidos utilizados pueden resultar corrosivos,
desde que se encuentran diluidos, se seleccionó la opción más económica. Las características se
resumen en la siguiente tabla:
Tabla 25.
Características del material seleccionado.
Parámetro Valor
Material Acero inoxidable, 18 Cr, 8 Ni
Grado 304
Resistencia mínima a la tensión (ksi) 75
Fuerza de fluencia mínima (ksi) 30
Temperatura máxima (°F) 1500
Nota. Resumen características mecánicas del acero al carbón. Tomado de: ASME, BPVC
Section II-Materials-Part A-Ferrous Materials Specifications. 2021.
96
4.6. Dimensionamiento del reactor fermentador
El diseño se realizó teniendo en cuenta el tiempo total utilizado por lote, en el que se incluye el
tiempo de carga y descarga, limpieza y el tiempo de reacción (el cual fue consistente con el
desarrollo experimental. Se determinó un tiempo total de 122,5 horas.
Figura 24.
Esquema del fermentador.
Nota. En la figura se muestra el esquema para el reactor
utilizado en la fermentación. A reactor ingresan aprox.
208 kg/h de materiales.
97
Tabla 26.
Resumen diseño del reactor empleado para la fermentación.
Parámetro Valor
Densidad fermentato (kg/m3) 1200
Flujo para tratar (kg/h) 208,2
Volumen (m3) 21,25
Sobrediseño (+20%) (m3) 29,76
Altura (H) 3,934
Diámetro (m) 2,623
Presión estática (kPa) 46,31
Presión de operación (kPa) 101,325
Máxima presión permitida
(+33% kPa)
196,357
Espesor de diseño (mm) 11,642
Espesor comercial (mm) 12
Nota. La tabla nos muestra un resumen de los parámetros de diseño obtenidos para el reactor de
fermentación.
Para la reactor diseñado o planchas comerciales un material acorde con los requerimientos técnicos
de la norma ASM BPC sección VIII.D1. Se seleccionó acero al carbón debido a que los fluidos
utilizados no son tan corrosivos, desde que se encuentran diluidos, se seleccionó la opción más
económica. Las características se resumen en la siguiente tabla:
Tabla 27.
Características del material seleccionado.
Parámetro Valor
Material Acero al carbón
Grado A285 Gr A
Resistencia mínima a la tensión (ksi) 45
Fuerza de fluencia mínima (ksi) 24
Temperatura máxima (°F) 900
Nota. Resumen características mecánicas del acero al carbón. Tomado de: ASME, BPVC Section
II-Materials-Part A-Ferrous Materials Specifications. 2021.
98
4.7. Dimensionamiento del filtro prensa
Para el dimensionamiento del filtro se tuvo en cuenta el contenido de sólidos generado después
de la fermentación durante el procedimiento experimental. Se determinó una duración de un
batch de filtración de 4 horas, para un número total de lotes 2 diarios. Esto permitió determinar el
volumen de lodos (torta) producido diariamente y este último valor es el parámetro de partida
para la determinación de las dimensiones del filtro. El escogido fue del tipo filtro prensa gracias
a su facilidad de operación y bajos costes de mantenimiento. En la siguiente tabla se muestra el
resumen de los datos obtenidos.
Tabla 28.
Resumen de los resultados para el filtro prensa.
Nota. Resumen de los resultados obtenidos para el filtro prensa, el volumen de la celda
(1,247 L) es suministrado por el fabricante.
Parámetro Valor
% Sólidos 6,81%
% Sólidos en la torta 30%
Volumen (litros/día) 17,35
Carga de solidos (kg/h) 14,175
Duración batch (h) 4
Número de ciclos 2
Sólidos/ciclo 7,088
Torta/día (kg/ciclo) 23,625
Densidad torta (kg/L) 1,2
Volumen torta (L) 19,688
Volumen celda 1,247
Número de cámaras necesarias 16
Área filtrante por celda (m2) 2,3599
Área filtrante total (m2) 37,243
99
Figura 25.
Esquema del filtro.
Nota. En la presente figura se muestra
el filtro prensa, donde ingresa la
corriente proveniente del fermentador
(5), son eliminados sólidos (5) que
corresponde a biomasa no
reaccionante y se obtiene un licor (6)
el cual contiene agua y el bioetanol
producido. Fuente: elaboración
propia.
4.8. Dimensionamiento de la torre de destilación
El dimensionamiento de la torre se hizo a partir del método McCabe-Thiele, asumiendo que la
mezcla filtrada es binaria (etanol y agua) con el objetivo de simplificar los cálculos asociados a
mezclas multicomponentes. Se estableció una pureza del bioetanol del 99%, y un contenido
máximo de este del 4% en los fondos de la torre. En la siguiente figura se puede apreciar la porción
del PFD que ilustra la torre de destilación.
100
Figura 26.
Torre de destilación.
Nota. En la figura se observa la torre de destilación a la que entra
la corriente (6) y sale ETANOL por el tope y LIQUIDOS por el
fondo. El flujo másico de estas es de 199,49 kg/h, 2,42 kg/h y
197,06 kg/h, respectivamente.
En la siguiente figura se aprecia el número de etapas teóricas calculadas a partir del método
McCabe Thiele, para ello se determinaron las fracciones molares de etanol a partir de los resultados
experimentales obtenidos. Los resultados mostraron una fracción molar en la alimentación de
0,021 el cual es considerablemente bajo, pero se explica por el bajo rendimiento de la fermentación
y el reducido contenido de azúcares reductores posteriores a la hidrólisis. Por su parte las
fracciones en peso asumidas en masa resultaron en 0,975 y 0,016 para el destilado y los fondos,
respectivamente.
101
Figura 27.
Etapas McCabe-Thiele.
Nota. En la figura se observa el número de etapas teóricas obtenidas usando el método de
McCabe-Thiele, el número de etapas teóricas es de 12..
En la siguiente tabla se muestra un resumen de los cálculos realizados para la torre de destilación,
para este equipo se escogió una relación de reflujo un 50% superior a la mínima, además la
alimentación se encuentra en estado líquido. Se asumió una eficiencia de los platos del 85% y se
usó un factor de sobrediseño de 10%, lo anterior para incrementar la flexibilidad operativa de la
torre.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Y C
om
po
nen
te m
ás
vo
láti
l
X componente más volátil
Curva de equilibrio
Línea de referencia y=x
Línea de alimentación
Línea de enriquecimiento
Etapas teóricas
Línea de agotamiento
102
Tabla 29.
Resumen cálculos teóricos de la torre de destilación.
Parámetro Valor
Volatilidad relativa 2,272
Presión de operación (bar) 1,013
Fracción molar en la alimentación 0,021
Fracción molar en el destilado 0,975
Fracción molar en los fondos 0,016
Condición de la alimentación 1,010
Relación de reflujo 54,517
plato de alimentación 11,000
R/Rmin 1,500
Rmin 36,345
Total, etapas 12
Etapas sin rehervidor 11
Eficiencia del plato 0,850
Platos reales 12,941
Platos totales (+10%) 15
Nota. En la tabla se presenta el cálculo del número de etapas teóricas a partir del método de
McCabe-Thiele usando el enfoque de la volatilidad relativa.
4.8.1. Balance de energía
El balance de energía de la torre de destilación se hizo usando simulación de procesos mediante el
software HTSYS V.11.0. El comportamiento altamente no ideal de la mezcla etanol-agua requiere
una selección cuidadosa del modelo termodinámico a emplea. En la literatura se han sugerido
recientemente modelos termodinámicos adecuados. Para estimar los coeficientes de actividad en
fase líquida se han proporcionado parámetros de correlación binaria NRTL y UNIQUAC,
mostrando NRTL resultados algo más satisfactorios. En este trabajo se siguió la metodología
reportada por Carlson [87] dando como resultado la selección del modelo NTRL.
103
Tabla 30.
Resultados balance de energía.
Servicio industrial Flujo de calor (kJ/h) Tipo Consumo (kg/h)
Calefacción 12149.74 Vapor baja presión 55,32
Enfriamiento 72675,81 Agua de enfriamiento 3475
Nota. En la tabla se muestra los resultados de balance de energía. Se seleccionó agua de
enfriamiento por ser el tipo más común.
Figura 28.
Simulación de la torre de destilación.
Nota. En la figura se observa una columna de
destilación simulada usando el software Aspen
HYSYS. Los flujos de energía QC y QR,
corresponden al condensador y al rehervidor
respectivamente.
104
4.8.2. Diseño mecánico
En la siguiente tabla se presenta el resumen de los cálculos mecánicos asociados al equipo para un
espaciamiento de los platos de 15 pulgadas, el cual es consistente con valores comunes aplicados
a torres de la industria petroquímica y química, como se puede observar en la figura 29.
Tabla 31.
Resumen diseño mecánico.
Parámetro Valor
Diámetro de la columna (m) 1,777
Altura de la columna (m) 5,715
Diámetro de la falda (m) 1,777
Altura de la falda (m) 3,199
Presión de diseño (psi) 21,750
Espesor diseño de la falda y columna
(mm) 6,262
Espesor comercial columna y falda (mm) 6,350
Espesor diseño de los cabezales (mm) 6,525
Espesor comercial cabezales(mm) 7,940
Nota. En la tabla, se presenta el resumen del diseño mecánico de la torre de destilación.
105
Figura 29.
Factores de flujo para espaciamientos comunes en torres de destilación.
Nota. Factores de flujo para espaciamientos comunes en torres de destilación. En este
trabajo se usó 15” dada la pequeña escala de la planta. Tomado de: Tomado de: ASME,
BPVC Section II-Materials-Part A-Ferrous Materials Specifications. 2021.
Para la torre diseñada se usaron láminas o planchas comerciales un material acorde con los
requerimientos técnicos de la norma ASM BPC sección VIII.D1. Se seleccionó acero al carbón y
sus características se resumen en la siguiente tabla:
106
Tabla 32.
Características del material seleccionado.
Parámetro Valor
Material Acero al carbón
Grado A285 Gr A
Resistencia mínima a la tensión (ksi) 45
Fuerza de fluencia mínima (ksi) 24
Temperatura máxima (°F) 900
Nota. Resumen características mecánicas del acero al carbón. Tomado de ASME, BPVC
Section II-Materials-Part A-Ferrous Materials Specifications. 2021.
107
5. ESTUDIO DE COSTOS PARA UNA PLANTA PILOTO
En este capítulo se desarrolla el último objetivo del proyecto que tiene como finalidad valorar
los costos para la producción de bioetanol a escala piloto. Para ello, se tuvo en cuenta los costos
fijos, costos directos e indirectos del proceso productivo.
5.1. Equipos utilizados en el proceso
5.1.1. Máquina Cortadora
Línea de cortadoras Weber compuesta por una cortadora Weber tipo MCS 902, con
dimensiones 2900 mm x 1400 mm x 2380 mm; control de peso, correa de alambre de plástico
con un ancho de correa de 360 mm [88]. El costo de equipo fue determinado a partir del precio
publicado en un sitio web enfocado en la venta de maquinaria industrial [89] y fue de
aproximadamente USD $16.000.
Figura 30.
Cortadora de la línea de cortadoras
Weber.
Nota. En la figura se aprecia una
referencia comercial Weber compuesta
por una cortadora Weber tipo MCS 902.
Tomado de [68].
108
5.1.2. Molino
Se utiliza un molino de martillos apropiado para la trituración de productos individuales y
mezclas de productos. El producto solo sale de la cámara de la molienda cuando es más pequeño
que el diámetro de perforación de la criba. La velocidad de rotación de la punta del batidor es
de 100 m/s aproximadamente [88]. El costo de este equipo fue de USD $9.600, determinado de
la misma forma que el caso anterior.
Figura 31.
Molino de martillos.
Nota. En la figura se muestra una referencia
comercial de un molino de martillos de la casa
fabricante KAHL.
5.1.3. Reactores para hidrólisis y fermentación
El costo de los reactores agitados fue determinado con base en su capacidad (en galones) de
forma gráfica a partir del método reportado por Peters y colaboradores [67]. Estos costos
incluyen el motor de agitación, instrumentación y sistema de calefacción (en caso de ser
requerido).
109
Figura 32.
Determinación de costos para reactores agitados.
Nota. A partir de la gráfica logarítmica se puede determinar los costos de
reactores agitados bien sean de acero al carbón o inoxidable. Los precios a
fecha de 1990 corresponderían a USD $42.680, 40.240 y 30.486 Para el
fermentador, reactor de hidrólisis ácida e hidrólisis alcalina,
respectivamente.
5.1.4. Filtro prensa
Filtro prensa arrastre lateral, con área filtrante total del 37,24 m2, utilizado para filtrar el mosto
obtenido de la fermentación.
El inicio del ciclo de filtrado comienza con el cierre del filtro; la placa móvil se activa gracias
al sistema hidráulico y se desplaza cerrando el filtro a la presión necesaria de trabajo, la cual es
110
controlada por un presostato. Luego sigue la etapa de llenado, luego la filtración y por último
la apertura del filtro para la descarga de las tortas.
El costo del sistema de filtración fue determinado con base en su área superficial (en m2) de
forma gráfica a partir del método reportado por Peters y colaboradores [67]. Estos costos
incluyen sistemas eléctricos y de automatización.
Figura 33.
Determinación de costos para reactores agitados.
Nota. A partir de la gráfica logarítmica se puede determinar los costos
de distintos tipos de filtros, el correspondiente al presente trabajo de
grado es el de placas horizontales, con un valor de USD $360.000.
5.1.5. Columna de destilación
Para la determinación de los costos de la columna se hizo necesario calcular el peso total del
cuerpo, incluyendo los cabezales y la falda, el resultado fue de 2.847 kg, por su parte el precio
111
de los platos está dado en función del diámetro. Se utilizaron platos con capucha en acero al
carbón. Esta metodología es usada por Sinot y colaboradores [67].
Figura 34.
Determinación del costo de columnas de destilación.
Nota. La figura 34 es de tipo logarítmico y permiten estimar los costos
de torres de destilación. A partir del diámetro del peso de la torre, se
intercepta una línea recta con la curva correspondiente al material
seleccionado y se lee en el costo de la columna. Tomado de: M. S.
Peters, K. D. Timmerhaus, and R. E. West, Plant design and economics
for chemical engineers, Fifth edit. McGraw-Hill Higher Education,
2003.
112
Figura 35.
Determinación del costo de platos perforados y con capucha.
Nota. La figura 35, es de tipo logarítmico y permiten estimar los costos
de los platos de la torre. De forma similar se procede para el costo de
los platos, seleccionado la curva correspondiente al tipo y material de
los platos.Tomado de: M. S. Peters, K. D. Timmerhaus, and R. E. West,
Plant design and economics for chemical engineers, Fifth edit.
McGraw-Hill Higher Education, 2003.
5.2. Costos Fijos
Estos costos hacen referencia a los recursos que son necesarios adquirir para llevar a cabo el
proceso productivo, como los equipos e instrumentos utilizados en el proceso.
Tabla 33.
Costos de los equipos a nivel planta piloto.
Equipos Cantidad Costo (USD)
Máquina Cortadora 1 19.862,78
Molino 1 9.600
Reactor de Fermentación 1 42.680
Reactor hidrólisis alcalina 1 30.485,75
Reactor hidrólisis ácida 1 40.241,18
113
Filtro 1 731.658
Columna de Destilación 1 213.644,92
TOTAL 1.088.172,63
Nota. En la tabla, se muestran los costos de os equipos necesarios para la
producción de bioetanol a escala piloto. Los costos de instalación y demás obras
complementarias se determinaron siguiente el enfoque de Vergara y colaboradores
[90] como función del costo de equipos: instalación (20%), instrumentación (8%),
tuberías (20%), electricidad (13%), edificios (4%) y servicios industriales (30%).
Tabla 34.
Costos totales de inversión.
Discriminación CAPEX Costo (USD)
Compra de equipos $ 1.088.172,63
Instalación $ 216.880,76
Instrumentación $ 86.752,30
Tuberías $ 216.880,76
Instalaciones eléctricas $ 140.972,49
Edificios, oficinas y demás áreas $ 433.761,52
Servicios industriales $ 325.321,14
Costos totales $ 2.508.741,60
Nota. En la tabla, se muestran los costos de inversión, respectivamente. Los costos de
instalación y demás obras complementarias se determinaron siguiente el enfoque de Vergara y
colaboradores [90] como función del costo de equipos: instalación (20%), instrumentación
(8%), tuberías (20%), electricidad (13%), edificios (4%) y servicios industriales (30%).
5.3. Costos Directos
Son aquellos gastos asociados a la fabricación del producto, tales como la materia prima o la
mano de obra.
114
5.3.1. Materia Prima
La materia prima utilizada para la producción de bioetanol es proporcionada por la empresa
SIMAGRAT S.A.S, por tanto, no representa ningún costo. Por otro lado, se debe considerar
como materia prima los reactivos y la levadura utilizada.
Tabla 35.
Costos de la materia prima.
Materia prima Consumo Costo unitario Costos anuales
(USD/año)
Cáscara de plátano (kg/año) 288.000 kg/año 0,00 (USD/kg) $ -
Hidróxido de sodio 50% 86.400 L/año 0,11 (USD/L) $ 9.072,00
Ácido Sulfúrico 98% 70.502 L/año 2,06 (USD/L) $ 145.234,94
Saccharomyces Cerevisiae 5.700 kg/año 1,30 (USD/kg) $ 74.880,00
Sacarosa 13.133 kg/año 0,38 (USD/kg) $ 4.990,46
Total $ 234.177,40
Nota. En la tabla se aprecian los costos asociados a la materia prima principal.
5.4. Costos Indirectos
Estos costos no están relacionados con el proceso productivo, pero se generan gracias a este,
como el consumo de agua, energía y gas.
5.4.1. Consumo de agua.
Este servicio es utilizado en los reactores de hidrólisis y en el reactor de fermentación. El
consumo de agua en la zona industrial de Bogotá tiene un costo de 3.725,78 $/m3 [91].
115
Tabla 36.
Consumo de agua en equipos.
Nota. En la tabla se presentan los consumos anualizados de agua en cada uno de los reactores
5.4.2. Consumo energético.
Se determina teniendo en cuenta el cosumo energético de cada equipo durante el tiempo de
operación (8 horas diarias). El consumo energético en la zona industrial de Bogotá, tiene un
costo de 457,25 $/kWh [92].
Tabla 37.
Consumo energético por equipo.
Equipos Potencia
(kW)
Consumo
(kWh/año)
Total (USD/ año)
Máquina Cortadora 24 55296 $ 6.519,88
Molino 90 259200 $ 30.561,94
Reactor de Fermentación 45 129600 $ 15.280,97
Reactor hidrólisis alcalina 1.5 4320 $ 509,37
Reactor hidrólisis ácida 1 2880 $ 339,58
TOTAL 451296 $ 53.211,73
Nota. En la tabla pueden apreciarse los costos energéticos de la planta, para un año operacional
de 288 días (se excluyen los domingos), dado que es una planta artesanal.
Equipos Cantidad (m3/año) Total (USD/año)
Reactor de Fermentación 2808 $ 1.312,99
Reactor hidrólisis alcalina 1354 $ 2.723,76
Reactor hidrólisis ácida 2808 $ 2.189,29
TOTAL 6970 $ 6226,04
116
6. CONCLUSIONES
En la bibliografía no se encontró mucha información del proceso de producción de bioetanol
mediante cáscaras de plátano, sin embargo, si se encontró información sobre la producción de
bioetanol a partir de material lignocelulósico.
El proceso técnico utilizado en el presente trabajo, se determinó en base de procesos similares
de producción de bioetanol a partir de material lignocelulósico.
El diseño de proceso propuesto, se adapta a una producción a escala piloto.
Tanto la cáscara madura como la verde, son fuentes potenciales para la producción de bioetanol.
Dada la alta disponibilidad de cáscara de plátano en Colombia como desecho de subprocesos,
hace que esta materia prima sea una potencial solución para la producción de bioetanol en el
país.
El proceso de experimentación para obtener bioetanol a partir de cáscaras de plátano, dio como
resultado que la cantidad de microorganismos que se agregan al mosto al momento de iniciar
la fermentación, afectan directamente la producción de bioetanol.
Tanto la cáscara del plátano madura como la verde, son ricas en lignina, hemicelulosa y
celulosa, lo que hace que esta materia prima sea una fuente de azúcares reductores, sin embargo,
la cáscara madura mostró mayor porcentaje de conversión a azúcares reductores.
El diseño de experimentos dio como resultado que el estado de madurez de la cáscara de plátano
afecta directamente la producción de bioetanol, en este caso, la cáscara madura tuvo
rendimientos más altos.
En el proceso de fermentación de 8 días, se obtuvo muestras de hasta 7° alcohólicos con una
concentración de etanol de 12,205 g/L y un rendimiento de 0,093
117
El tratamiento que mejor resultados tuvo fue T3, el cual se realizó con cascara madura y se le
agregó 10 g de levadura. Se obtuvieron 7,531 g de azúcares reducidos, una conversión del
15,06% y un rendimiento de fermentación de 0,126.
El estudio de costos de la propuesta de planta piloto, nos arroja que el proceso de producción
tiene un bajo costo.
118
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128
ANEXOS
129
ANEXO 1
DETERMINACIÓN DE AZÚCARES REDUCTORES POR EL MÉTODO DNS
1. Preparación del reactivo DNS
Para la preparación del reactivo DNS se disolvieron 0,8 g de NaOH en 25 mL de agua destilada,
luego se agregó 15 g de tartato de sodio y 15 g de potasio tetrahidratado, una vez se ha diluido
todo, se agregan 0,5 g de ácido 3,5-dinitrosalicílico, se completó con 50 mL de agua destilada,
se almacenó en frascos ámbar y se mantuvo a una temperatura de 4°C [54].
2. Curva de calibración
Para realizar la curva de calibración fue necesario hacer seis diluciones de glucosa con
concentración 0,05 M que se construyeron utilizando la ecuación 41, teniendo como volumen
final 2 mL, para tomar como solución patrón y poder realizar la curva de calibración; se agregó
el reactivo DNS en las proporciones que se indican en la tabla 34, cada tubo fue llevado a baño
maría con una temperatura de 100°C durante 5 minutos, con el fin de realizar una incubación.
Las soluciones se pasaron a las celdas del espectrofotómetro y se midió la absorbancia a 540
nm, poniendo primero el blanco, y luego las otras soluciones en orden ascendente de
concentración. Una vez obtenidas absorbancias, registradas en la tabla 37, se realizó el gráfico
de Absorbancia vs Concentración de glucosa (gráfico 1), se hizo la linealización
correspondiente, y con la Ley de Lambert-Beer (ecuación 42), se halló el coeficiente de
absortividad [54].
130
Ecuación 46
𝐶1 ∗ 𝑉1 = 𝐶2 ∗ 𝑉2
(46)
Tabla 38.
Diluciones de la solución patrón para la curva de calibración.
Tubo Glucosa
(0,05 M)
Vol. de glucosa
(mL)
Vol. de agua
(mL)
Vol. de reactivo
DNS (mL)
Blanco 0 0 2 2
1 0,01 0,4 1,6 2
2 0,02 0,8 1,2 2
3 0,03 1,2 0,8 2
4 0,04 1,6 0,4 2
5 0,05 2 0 2
Nota. En la tabla, se presentan las concentraciones de las seis diluciones realizadas
y las proporciones de glucosa, agua y reactivo DNS que se adicionó para crear la
curva de calibración. Tomado de: Elaboración propia.
Tabla 39.
Datos de absorbancia obtenidos de las diluciones de la solución patrón.
Tubo Glucosa (M) Absorbancia
Blanco 0 0
1 4 0,051
2 8 0,167
3 12 0,294
4 16 0,400
5 20 0,532
Nota. En la tabla, se observan los datos obtenidos en el espectrofotómetro después de
analizar las muestras de la solución patrón a 540 nm.
131
Figura 36.
Absorbancia vs Concentración de glucosa.
Nota. En el gráfico se presentan los datos obtenidos en el
espectrofotómetro linealizados, con el fin de hallar el coeficiente de
absortividad de la glucosa.
Ecuación 47.
𝐴𝑏𝑠 = 𝜀 ∗ 𝑏 ∗ 𝑐 (47)
Donde Abs, hace referencia a la absorbancia, Ɛ es el coeficiente de absortividad (mM-1cm-1), b
es el ancho de la celda que en este caso es 1 cm y c es la concentración de glucosa en la muestra.
La ecuación de la recta obtenida en la linealización, nos dice que el coeficiente de absortividad
Ɛ de la glucosa es 0,0274 mM-1cm-1, valor que nos servirá al momento de encontrar la
concentración de glucosa en las muestras problema.
3. Determinación de azucares reductores en la muestra problema
Para determinar la concentración de glucosa en nuestra muestra problema, fue necesario agregar
0,5 mL de reactivo DNS y 0,5 mL de muestra problema; estas diluciones fueron llevadas a baño
maría con una temperatura de 100°C durante 5 minutos y se dejaron enfriar para luego ser
colocadas en las celdas del espectrofotómetro y hacer la lectura de la absorbancia [55], como
y = 0,0274x - 0,0332R² = 0,9885
0
0
0
0
0
0
1
1
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5
AB
SOR
BA
NC
IA
CONCENTRACIÓN DE GLUCOSA
132
se registra en la tabla 36. La concentración de glucosa se halló utilizando la Ley de Lambert-
Beer (ecuación 42), de la cual se despejo C.
Tabla 40.
Absorbancia y concentración de glucosa hallada.
Tubo Vol. muestra
(mL)
DNS
(mL)
Absorbancia Concentración
glucosa (g/L)
1 0,5 0,5 0,351 12,81021898
2 0,5 0,5 0,432 15,76642336
3 0,5 0,5 0,543 19,81751825
4 0,5 0,5 0,567 20,69343066
5 0,5 0,5 0,423 15,4379562
6 0,5 0,5 0,478 17,44525547
Nota. En la tabla, observamos las proporciones de las soluciones realizadas para
llevar al espectrofotómetro y los datos obtenidos, así como la concentración de
glucosa hallada utilizando la Ley de Lambert-Beer.
133
ANEXO 2
FICHA TÉCNICA POTENCIOMETRO OHAUS STARTER 2100 pH BENCH
134
135
ANEXO 3
ACTIVACIÓN DE LA LEVADURA Saccharomyces Cerevisiae
Antes de iniciar el proceso de fermentación, es necesario activar la levadura, para ello se pesaron
10 g de levadura por cada 100 g de cáscara de plátano, se disolvieron 175 g de levadura con 40 g
de azúcar en 250 mL de agua destilada, se removió hasta lograr la hidratación y se dejó reposar
durante 15 minutos.
136
ANEXO 4
FICHA TÉCNICA LEVADURA Saccharomyces Cerevisiae Safbrew BE-256
137
ANEXO 5
TABLA SELECCIÓN DE MOTOR PARA LA MÁQUINA CORTE
138
ANEXO 6.
PRECIO MÁQUINA CORTADORA
139
ANEXO 7
CATÁLOGO MÁQUINA MOLIENDA
140
141
ANEXO 8
FILTRO PRENSA
142
143
ANEXO 9
RECOMENDACIONES
En la determinación de etanol se recomienda emplear métodos de cuantificación más rigurosos
como la cromatografía de gases, para tener mayor exactitud en la concentración de etanol obtenido
en cada una de las muestras y reconocer otros posibles compuestos que estén presentes.
Cuantificar la cantidad de CO2 obtenido en la etapa de fermentación, para poder realizar balances
de masa y energía más precisos. Se recomienda proponer una posible aplicación de este
subproducto.
Se recomienda realizar un picado homogéneo, con el fin de reducir la probabilidad de un error
sistemático.
Utilizar otros tipos de hidrólisis como la hidrólisis enzimática, para hacer un proceso de producción
más amigable con el medio ambiente.
Dejar que los organismos actúen hasta 15 días en el proceso de fermentación para poder obtener
mayor cantidad de bioetanol.
En el proceso de fermentación, asegurarse de realizar la correcta activación del microorganismo y
hacer el montaje en un medio estéril y hermético para evitar la obtención de subproductos no
deseados.
Se recomienda evaluar la obtención de etanol diaria, para así crear una cinética que permita
estandarizar e industrializar el proceso.
Aunque ambas cáscaras son potenciales material primas para la obtención de bioetanol, se
recomienda realizar el proceso productivo con cáscaras de plátano maduro y así obtener mayores
rendimientos y, por ende, mayor rentabilidad.
Aunque la mayor cantidad de bioetanol que se obtuvo fue al agregar 10 g de levadura, se
recomienda, mantener la relación de 10 g de levadura por libra de biomasa, para hacer el proceso
más rentable.
Para que el proceso productivo sea rentable, se propone realizar un análisis financiero profundo,
con el fin de determinar la cantidad de cáscara de plátano que se debe procesar para encontrar el
punto de equilibrio.
144
Para posteriores investigaciones, se recomienda evaluar más cantidades de levadura, para poder
conocer la concentración óptima de microrganismo necesario para el proceso productivo.