i DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ADSORCIÓN DE ÁCIDOS
CARBOXÍLICOS VOLÁTILES EN CARBÓN ACTIVADO APLICADO EN FERMENTACIONES ANAEROBICAS DE RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS
Tesis
por
ÓSCAR JAVIER FONSECA BERMÚDEZ
Presentado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes
En cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de
MAESTRÍA EN INGENIERÍA QUÍMICA
Departamento de Ingeniería Química
ii
Determinación de la capacidad de adsorción de ácidos carboxílicos volátiles en carbón
activado aplicado en fermentaciones anaeróbicas de residuos lignocelulósicos.
iii DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ADSORCIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS VOLÁTILES EN CARBÓN ACTIVADO APLICADO EN FERMENTACIONES ANAERÓBICAS DE RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS
Tesis
Por
ÓSCAR JAVIER FONSECA BERMÚDEZ
Presentado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes
En cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de
MAESTRÍA EN INGENIERÍA QUÍMICA
Aprobado por:
Asesora, Rocío Sierra Ramírez, Ph.D.
Co-Asesor, Juan Carlos Moreno Piraján, Ph.D.
Jurado, Nicolás Ríos Ratkovich, Ph.D.
Jurado, Tatiana Ibeth Sanjuan Giraldo,Ph.D.
Director del Departamento, Oscar Álvarez Solano, Ph.D.
Departamento de Ingeniería Química
iv ABSTRACT
Determination of volatile carboxylic acids adsorption capacity in activated carbon applied
to anaerobic fermentations of lignocellulosic waste.
(March 2016)
Óscar Javier Fonseca Bermúdez, Universidad de los Andes, Colombia
Co-Advisors: Rocío Sierra Ramírez, Ph.D., Juan Carlos Moreno Piraján Ph.D.
In literature promising results are reported for adsorption of reagent grade volatile
carboxylic acids (ACV) on the carbon surface synthesized by pyrolysis of agricultural
residues that have been activated using acid agents (CAA) and/or basic agents (CAB). ACV
adsorption capacity in CAA/CAB may be influenced by the presence of impurities in the
solution where ACV is located. This paper seeks to establish the adsorption capacity of ACV
in CAB, while they are being produced in fermentations carried out under acidogenic
conditions (named MixAlco® type, in the context of this paper). The CAB used was
synthesized by impregnating pretreated oil-palm shell with 60% (w/w) KOH (CA60B) and
then calcining the material under an inert atmosphere (without O2). The MixAlco ®
fermentations were carried out using office paper as substrate, chicken or cattle manure as
additional nutrients and a collected inoculum from Zipaquira salt mine.The rotary incubator
worked at thermophilic (50°C) and mesophilic(37°C) conditions for 43 d. Different
quantities of CA60B were used in the fermenters (0.58 g, 1.15 g and 1.73 g). 8 thermophilic
fermentations and 8 mesophilic fermentation tests were run and both at 5 rpm. The ending
v
respectively. The paper in fermenters works as an adsorbent, and retain a big part of liquid
medium and acids. The CA60B’s adsorption capacity was size up against paper’s absorption
capacity using acv reagent grade. The maximum amount absorbed by 1 g of paper was 785
mg and the maximum amount of ACV recovered was 585 mg corresponds to 80%. The
maximum amount adsorbed by 1 g of CA60B was 205 mg and the maximum amount of ACV
vi RESUMEN
Determinación de la capacidad de adsorción de ácidos carboxílicos volátiles en carbón
activado aplicado en fermentaciones anaeróbicas de residuos lignocelulósicos.
(Marzo 2016)
Óscar Javier Fonseca Bermúdez, Universidad de los Andes, Colombia
Co-Asesores: Rocío Sierra Ramírez, Ph.D., Juan Carlos Moreno Piraján, Ph.D.
En la literatura se reportan resultados promisorios para la adsorción de ácidos
carboxílicos volátiles (ACV) grado reactivo sobre la superficie de carbón obtenido por
pirólisis de residuos agrícolas que han sido activados usando agentes ácidos (CAA) y/o
básicos (CAB). La capacidad de adsorción de ACV en CAA/CAB puede verse influenciada
por la presencia de impurezas en la solución donde se encuentran los ACV. En este trabajo
se busca establecer la capacidad de adsorción de ACV en CAB, mientras que éstos están
siendo producidos en fermentaciones llevadas a cabo en condiciones acidogénicas (llamadas
tipo MixAlco®, en el contexto de este trabajo). El CAB utilizado se sintetizó impregnando
cuesco de palma pretratado en una solución al 60% (p/p) de KOH (CA60B) y calcinando
luego el material en una atmósfera inerte (sin O2). Las fermentaciones MixAlco® se llevaron
a cabo usando papel de oficina como sustrato, estiércol de pollo como nutriente adicional y
un inóculo adaptado recolectado originalmente de la mina de sal de Zipaquirá. La incubadora
rotatoria trabajó a condiciones termofílicas (50°C) y mesofílicas (37°C) por 43 d. Se
utilizaron diferentes cantidades de CA60B por fermentador (0.58 g, 1.15 g y 1.73 g). Se
vii
finales de ACV fueron de 2.32 g/L y 3.34 g/L para condiciones mesofílicas y termofílicas
respectivamente. El papel en los fermentadores actuó como absorbente reteniendo gran parte
del medio líquido y los ácidos. Se comparó la capacidad de adsorción del CA60B contra la
capacidad de absorción del papel usando ACV grado reactivo. Para 1 g de papel la cantidad
máxima absorbida fue de 785 mg y la cantidad recuperada de ACV fue de 585 mg que
corresponde al 80%. Para 1 g de CA60B la cantidad máxima adsorbida fue de 205 mg y la
viii AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer: a mi asesora la Dra. Rocío Sierra Ramírez, por su guía, apoyo,
dedicación y paciencia durante todo el proyecto, al Dr. Juan Carlos Moreno por su importante
colaboración, a los jurados por su evaluación y comentarios, a los técnicos de laboratorio:
Mauricio, Viviana, Deicy y Alfredo, a todos los que hacen parte del Departamento de
Ingeniería Química por su buena disposición y a mis compañeros de asistencia por compartir
ix CONTENIDO
Pág.
ABSTRACT ... iv
RESUMEN ... vi
AGRADECIMIENTOS ... viii
CONTENIDO ... ix
LISTA DE FIGURAS ... xi
LISTA DE TABLAS ... xiii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 Tecnologías de conversión para biomasa ... 1
1.1.1 Conversión termoquímica ... 2
1.2 Conversión bioquímica ... 3
1.2.1 Digestión anaeróbica ... 3
1.2.2 Contenidos de solidos volátiles y cenizas ... 4
1.2.3 Fermentación ... 4
1.3 Biomasa lignocelulósica ... 5
1.4 Fermentaciones MixAlco® ... 5
1.5 Carbón activado ... 9
1.5.1 Caracterización ... 9
1.6 Ensayos de adsorción de ácidos carboxílicos con carbón activado ... 13
1.7 Justificación ... 14
2. OBJETIVOS ... 15
2.1 Objetivo general ... 15
2.2 Objetivos específicos ... 15
3. METODOLOGÍA ... 16
3.1 Fermentaciones MixAlco ... 16
3.1.1 Incubadora rotatoria ... 16
3.1.2 Fermentadores ... 16
x
3.1.4 Medio de fermentación... 17
3.1.5 Inóculos ... 17
3.1.6 Inhibidor ... 17
3.2 Síntesis de carbón activado ... 18
3.2.1 Preparación del material ... 18
3.2.2 Activación y carbonización ... 18
3.3 Fermentaciones Batch ... 19
3.3.2 Fermentación batch incubadora ... 19
3.3.3 Determinación de ácidos carboxílicos ... 20
3.3.4 Equivalentes de ácido acético ... 20
3.3.5 Método de medición de gases ... 21
3.3.6 Parámetros de las fermentaciones ... 22
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 23
4.1 Experimentos Fermentación ... 23
4.1.1 Caracterización sustrato ... 23
4.1.2 Preinoculación ... 23
4.1.3 Carbón activado... 24
4.1.3 Experimentos batch incubadora ... 25
4.2 Desorción ... 32
4.3 Experimentos de adsorción-desorción para CA60B y papel ... 32
5. CONCLUSIONES ... 40
6. RECOMENDACIONES ... 42
7. BIBLIOGRAFÍA ... 43
ANEXO 1 ... 46
ANEXO 2 ... 48
ANEXO 3 ... 49
xi LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Tecnologías de conversión de biomasa. ... 2
Figura 2. Etapas de la fermentación bacteriana. ... 3
Figura 3. Digestión anaeróbica de biomasa. ... 4
Figura 4. Esquema general del proceso MixAlco®... 6
Figura 5. Isoterma de adsorción de nitrógeno para el CA60B. ... 10
Figura 6. Imagen MEB para el CA60B. . ... 11
Figura 7. PCZ para el CA60B. ... 12
Figura 8. Análisis termogravimétrico de CA60B. ... 13
Figura 9. Incubadora rotatoria. ... 16
Figura 10. Fermentadores de 1 L. ... 17
Figura 11. Representación del método de medición de gases. ... 21
Figura 12. Carbón activado empacado en bolsas de tela. ... 24
Figura 13. Perfiles de pH (línea superior) y concentración Aeq (línea inferior) para las diferentes cargas de CA60B en los fermentadores a 37°C. ... 26
Figura 14. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m025, a 37°C. ... 26
Figura 15. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m050, a 37°C. ... 27
Figura 16. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m075, a 37°C. ... 27
xii
Figura 17. Perfiles de pH (línea superior) y concentración Aeq (línea inferior) para las
diferentes cargas de CA60B en los fermentadores a 50°C. ... 28
Figura 18. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m025, a 50°C. ... 29
Figura 19. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m050, a 50°C. ... 29
Figura 20. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m075, a 50°C. ... 30
Figura 21. Relación de ácidos en las fermentaciones. ... 32
Figura 22. Efecto de la concentración inicial sobre la adsorción con CA60B. ... 33
Figura 23. Efecto de la concentración inicial sobre la desorción. ... 35
Figura 24. Efecto de la concentración inicial sobre la absorción con papel. ... 36
Figura 25. Efecto de la concentración inicial sobre la recuperación de ácidos absorbidos por papel. ... 37
xiii LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Resultados de producción de ácidos carboxílicos volátiles para fermentaciones
batch en estudios realizados en la Universidad de Texas A&M. ... 7
Tabla 2. Ácidos carboxílicos totales (g/L) generados durante la fermentación con inóculo adaptado (Simbaqueba, 2013). ... 8
Tabla 3. Ácidos carboxílicos totales (g/L) generados durante la fermentación con inóculo adaptado (Álvarez y Morales, 2013). ... 8
Tabla 4. Nomenclatura de los fermentadores en la incubadora. ... 19
Tabla 5. Caracterización de sustrato. ... 23
Tabla 6. Composición del sustrato por fermentador... 25
1 1. INTRODUCCIÓN
El inevitable agotamiento de los combustibles fósiles debido a su naturaleza no
renovable, la alta dependencia energética de nuestra sociedad a dichas fuentes no renovables
de energía y los efectos ambientales negativos derivados de su uso, sitúa como una prioridad
la búsqueda de fuentes de energía renovables (Solomon, et al. 2007).
Entre las alternativas de fuentes renovables se encuentra el proceso MixAlco® que
fue creado y patentado por el Dr. Mark Holtzapple y colaboradores en la Universidad de
Texas A&M, este proceso hace uso de residuos agrícolas, industriales y municipales para
producir biocombustibles y otros productos químicos de interés a través de una combinación
de pasos biológicos y químicos. Para incrementar el uso y la ganancia, las materias primas
usadas en el proceso de fermentación deben ser baratas, abundantes y altamente
fermentables. La biomasa celulósica es uno de las materias primas que cumple con los
criterios de selección.
1.1 Tecnologías de conversión para biomasa
La biomasa comprende el material orgánico que conforma las plantas. Las fuentes
son diversas e incluyen desperdicios agrícolas, residuos forestales y subproductos
industriales orgánicos de naturaleza vegetal (Fu, 2007). La biomasa puede generar energía
convirtiendo sus azucares en dióxido de carbono, que a su vez fue capturado durante el
crecimiento de la planta por lo que estas emisiones de dióxido de carbono se consideran
neutras. La Figura 1 muestra diferentes tecnologías de conversión de biomasa en calor,
2 Figura 1.Tecnologías de conversión de biomasa (figura modificada de Fu, 2007).
1.1.1 Conversión termoquímica
1.1.1.1 Combustión
La tecnología dominante para conversión de biomasa es combustión, teniendo como
ruta principal la producción de calor y electricidad (Fu, 2007).
1.1.1.2 Gasificación
La gasificación convierte un sustrato carbonoso en gas combustible, una vez
convertida la biomasa en gas combustible puede usarse directamente quemándolo o ser
introducido en una turbina de gas o en un motor de combustión interna (Fu, 2007).
1.1.1.3 Pirolisis y licuefacción
La pirolisis convierte la biomasa a temperaturas alrededor de 500°C en ausencia de
oxígeno en combustible líquido, gaseoso o sólido (Fu, 2007).
Calor Electricidad Combustible
Combustión Gasificación Pirolisis Digestión Fermentación Extracción
Conversión termoquímica Conversión bioquímica Conversión física
Vapor Gas Gas Gasóleo Carbón Biogas
Turbina vapor
Turbina gas
Metanol Mejora Motor
gas
Destilación Esterificación
3 1.2 Conversión bioquímica
1.2.1 Digestión anaeróbica
La digestión anaeróbica es una serie de procesos en el que una mezcla de
microorganismos descompone material biodegradable en ausencia de oxígeno. Las etapas de
la fermentación bacteriana son: hidrolisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Cada
etapa es controlada por diferentes grupos de bacterias. Los microorganismos envueltos en el
proceso son formadores de ácido acético (acetógenos) y formadores de metano
(metanógenos), la Figura 2 muestra las etapas de la digestión. Las bacterias usadas en el
proceso pueden sobrevivir a diferentes intervalos de temperatura. Las mesofílicas se
encuentran en un intervalo de temperatura entre 20°C - 40°C y las termofílicas entre 40°C –
65°C. Las especies metanógenas pueden operar a temperaturas más altas.
Figura 2. Etapas de la fermentación bacteriana (McMurry, 2008).
Los carbohidratos, grasas y proteínas son degradados en azucares, ácidos grasos y
aminoácidos y estos a su vez son transformados en ácidos carboxílicos. Se tiene una gran
4
formadoras de ácidos carboxílicos, las reacciones de estos compuestos se pueden observar
en la ecuación 1 y 2.
Glucosa: C6H12O6 + 2H20---> 2CH3COOH + 2CO2 + 4H20 (1)
Xilosa: C5H10O5 + 5/3 H20 ----> 5/3 CH3COOH + 5/3 C02 + 10/3 H2 (2)
1.2.2 Contenidos de solidos volátiles y cenizas
Cuando la biomasa es digerida los sólidos volátiles (SV) son convertidos en productos
gaseosos y líquidos más residuos sólido (ver figura 3). Los productos gaseosos son
principalmente metano y dióxido de carbono; los productos líquidos son sales carboxílicas,
proteínas y polisacáridos (Ross, 1988); y los residuos sólidos contienen cenizas y solidos
volátiles no digeridos.
Figura 3. Digestión anaeróbica de biomasa (figura modificada de Ross, 1998).
1.2.3 Fermentación
La fermentación es el proceso en el cuál los azucares son convertidos a etanol directamente.
La materia prima debe ser pretratada y en el caso de los almidones hidrolizados para formar
azucares simples y luego las enzimas de los microorganismos pueden transformar la materia
prima pretratada en etanol.
Sólidos volátiles (SV)
Ceniza
Ácidos totales
SV disueltos
Ceniza
SV sin digerir Digestión
CO2
5 1.3 Biomasa lignocelulósica
Las actividades agrícolas generan residuos los cuales representan costos de
disposición y también de impacto ambiental. El uso de desperdicios como combustible no
sólo presenta ventajas como fuente de energía renovable sino que también aporta para aliviar
el problema de la disposición de desperdicios y a la reducción de emisiones de gases de
invernadero (Kheshgi et al. 2000). Los principales componentes de la biomasa son la
celulosa, la hemicelulosa y la lignina.
La celulosa es el componente más abundante de la biomasa y se encuentra en las
paredes celulares de las plantas (Lynd et al. 1991). Las fibras de celulosa usualmente se
encuentran en una matriz de biopolímeros, hemicelulosa y lignina. Usualmente el contenido
de celulosa de las plantas en peso seco esta entre 35% y 50%, el de hemicelulosa está entre
20% y 30% y el de lignina entre 5% y 30%.
A diferencia de la celulosa la hemicelulosa no es químicamente homogénea y presenta
varios polímeros y ácidos de azúcar. La celulosa es un polímero lineal homogéneo y la lignina
es un polímero entrecruzado. Las fibras de celulosa se encuentran rodeadas por la
hemicelulosa y la lignina. La producción de glucosa a partir de celulosa se lleva a cabo
adicionando moléculas de agua y rompiendo los enlaces por hidrolisis. Dado que la celulosa
de la biomasa es recalcitrante a la hidrolisis debido a su estructura, es necesario un
pretratamiento para mejorar su digestibilidad.
1.4 Fermentaciones MixAlco®
La fermentación en el proceso MixAlco® (esquematizado en la Figura 4) emplea una
mezcla de microorganismos anaerobios formadores de ácidos. Esta fermentación no requiere
de esterilización lo que conlleva menor capital y menores costos de operación que otras
fermentaciones alternativas (Holtzapple, 2006). En la fermentación anaeróbica los
microorganismos producen una mezcla de ACV que van desde el ácido acético hasta el ácido
heptanoico. Los ACV producidos son neutralizados para controlar el pH en el fermentador y
así evitar la muerte o inhibición de los microorganismos. Al adicionar el agente neutralizante
se producen sales carboxílicas como producto intermedio. Para continuar con el proceso, se
6
concentración se realiza por evaporación (etapa de deshidratación). Las sales concentradas
deben regenerarse en los ácidos carboxílicos de los que se derivaron, esto se lleva a cabo en una etapa conocida como “acid springing” (Orozco, 2010). Los ácidos carboxílicos obtenidos
pueden ser el producto final o pueden transformarse en otros productos de interés como
cetonas, esteres y alcoholes. Debido a que todo el proceso de recuperación de los ácidos
carboxílicos es difícil y energéticamente muy demandante (Estupiñan, 2009), es necesario
encontrar alternativas. La adsorción de ácidos carboxílicos en diferentes matrices es
promisoria y en el laboratorio de Texas A&M se ha probado en resinas (trabajo en progreso).
Otros materiales adsorbentes más económicos incluyen el carbón activado. En estudios
anteriores se ha probado exitosamente la adsorción de mezclas de ACV grado reactivo en
carbones activados sintetizados a partir de cáscara de sandía (López, 2013), cuesco de palma
(Ruiz y Zambrano, 2013) y bagazo de caña Ruiz (Bautista y Suescún, 2013). En este estudio
se desea determinar si la adsorción de ácidos carboxílicos en carbón activado es exitosa
realizándola durante la etapa de fermentación.
7
Múltiples estudios anteriores realizados en la Universidad de Texas A&M demuestran
la factibilidad técnica para la producción de ACV a partir de materiales lignocelulósicos. Una
muestra de los resultados obtenidos se presenta en la Tabla 1.
Tabla 1. Resultados de producción de ácidos carboxílicos volátiles para fermentaciones batch en estudios realizados en la Universidad de Texas A&M.
Autor (año) Sustrato principal
Concentración sustrato (g/L)
Inóculo Aeq final (g/L)
Agbobo (2005) Paja de arroz 100 Galveston 34
Coleman (2007)
Residuo comida
100 Galveston 35
Forrest (2010)
Glicerina 100 Galveston 24
Forrest (2010)
Papel de oficina 100 Galveston 24
Forrest (2010)
Residuo de piña 100 Galveston 17
Forrest (2010)
Aloe vera 100 Galveston 25
Por otra parte, en estudios anteriores realizados en la Universidad de los Andes, en
los que se usaron inóculos nativos muestran resultados favorables en cuanto a la generación
de ACV en las fermentaciones aunque se usen diferentes proporciones e incluso diferentes
sustratos. Simbaqueba (2013) usó como sustrato bagazo de caña y estiércol de pollo. Se
realizaron cinco ensayos con diferentes concentraciones iniciales de sustrato: 20, 40, 70, 100
y 100+ g de sustrato seco/L. El ensayo de 100+ difiere del de 100 en que se agregó una
concentración inicial de equivalentes de ácido acético (Aeq) de 20 g/L. El intervalo de
concentración fue de 2-8 g/L para los primeros cuatro ensayos y de 27.4 g/L para la de 100+
(Simbaqueba, 2013). La fermentación duró 24 d. En la Tabla 2 se observan los resultados.
Los Aeq representa la cantidad total de ACV, principalmente ácido acético (AA), ácido
propiónico (AP) y ácido butírico (AB), la cual se expresa como si fuera únicamente ácido
acético (ver el procedimiento del cálculo en la Sección 3.3.4). Por otra parte, Álvarez y
Morales (2014) usaron como sustrato papel y como nutriente heces humanas y las mismas
concentraciones iniciales de sustrato seco que el estudio de Simbaqueba (2013). El intervalo
8
para la de 100+ la concentración alcanzada fue de 27.0 g/L (Álvarez y Morales, 2014). Las
fermentaciones duraron 17 d y los resultados se muestran en la Tabla 3.
Tabla 2. Ácidos carboxílicos totales (g/L) generados durante la fermentación con inóculo adaptado (Simbaqueba, 2013).
Días
Fermentadores
20 g/L 40 g/L 70 g/L 100 g/L 100+ g/L 0 0.35 0.58 0.98 0.88 22.8 2 0.81 1.03 1.77 1.70 24.7 4 1.51 1.59 2.16 2.45 26.2 8 2.59 2.55 2.77 3.37 26.7 10 2.89 2.76 3.43 3.76 27.0 11 3.02 2.96 4.29 4.69 26.9 15 3.46 3.41 4.94 6.61 27.1 17 3.99 5.32 6.63 27.0 18 4.43 5.58 7.64 27.2 22 4.39 6.31 8.22 27.4 24 4.46 6.91 7.72 27.4
Tabla 3. Ácidos carboxílicos totales (g/L) generados durante la fermentación con inóculo adaptado (Álvarezy Morales, 2013).
Fermentadores
Días 20 g/L 40 g/L 70 g/L 100 g/L 100+ g/L 1 1.83 1.88 1.90 2.05 5.40 2 2.04 1.95 - 1.99 32.4 4 1.70 1.99 1.80 2.58 33.2 7 - 2.18 3.24 3.38 30.2 9 - 2.82 2.61 3.87 29.0 11 2.40 2.76 3.11 4.72 30.6 15 3.67 2.58 3.39 3.80 25.4 17 1.53 3.13 3.47 4.06 27.0
De esta manera, los resultados confirman que existe una sinergia de microorganismos
9
biomasa lignocelulósica. Una concentración típica de ácidos en la fermentación MixAlco®
es 20 g/L (Forrest, 2010).
1.5 Carbón activado
Los carbones son materiales con capacidad de adsorción. A través de la carbonización
de un material y su activación se busca aumentar el área superficial del sólido y alterar su
estructura porosa (S.J. y B.H., 1971). Existen dos métodos de activación en la producción de
Carbón Activado (CA), mediante una activación física se da la desaparición de carbono
generando la aparición de poros, aumentando la superficie del carbón (Sun y Jiang, 2010).
Similarmente, una activación química aumenta el número de poros mediante la
deshidratación del material (Lim, 2010). Las fuerzas de dispersión de Van der Waals atraen
las moléculas de las fases líquidas y gaseosas hacia la superficie del CA. Tradicionalmente
la porosidad y el área superficial eran considerados los parámetros más significativos de la
calidad del CA pero ahora se sabe que la química superficial tiene un rol muy importante en
la capacidad de adsorción del CA (Moreno-Piraján, 2007). Una activación química afecta
directamente la formación de distintos grupos funcionales sobre la superficie del carbón
cambiando la afinidad del carbón por sustancias polares.
Los parámetros a tener en cuenta en la selección de la materia prima que debe
convertirse en CA son bajo costo, alta disponibilidad, bajo contenido de material inorgánico,
resistencia a la degradación una vez se ha tratado para almacenamiento y fácil activación
(Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006).
1.5.1 Caracterización
Para la caracterización física del carbón activado se realizan las siguientes pruebas:
isotermas de adsorción de nitrógeno y dióxido de carbono por el modelo de Brunauer-
Emmett-Teller (BET), el volumen de poros mediante el modelo de Dubinin-Radushkevich
(DR) y la distribución de poros mediante el modelo de Density Functional Theory (DFT).
Anterior a esta medición, las muestras se desgasificaron a temperatura de 250 °C durante dos
horas, las isotermas se midieron en un equipo analizador de sólidos porosos AutosorbIQ2.
Mediante la microscopia electrónica de barrido (MEB) se caracteriza la superficie y el ancho
10
Para la química superficial del carbón, se realizan las pruebas espectroscopia de
infrarrojo, Análisis Termo-Gravimétrico, titulación Boehm punto de carga cero (Ruiz y
Zambrano, 2013).
Para determinar los sitios ácidos y básicos presentes en el carbón activado se utiliza
el método de titulación propuesto por Boehm. Para caracterizar los grupos funcionales
representativos mediante la titulación, se supone una neutralización selectiva para cada grupo
funcional, donde el hidróxido de sodio (NaOH) neutraliza los grupos carboxílicos, lactónicos
y fenólicos; el carbonato de sodio(Na2CO3) neutraliza los grupos carboxílicos y fenólicos,
y el bicarbonato de sodio (NaHCO3) solo neutraliza los grupos fenólicos (Y.S Kim, s.f.). El
número de sitios básicos de la superficie se calcula a partir de la cantidad de ácido clorhídrico
que reacciona con el carbón activado.
El punto de carga cero (PZC) es el valor del pH para proporcionar una carga
superficial neta igual a cero de una muestra de carbón determinada. Se mide como la
tendencia de la superficie de una muestra a volverse negativa o positiva, según su pH (Ania,
2003).
Conocer el PZC y los grupos ácidos y básicos presente en la superficie de cada uno
de los adsorbentes sintetizados es de gran ayuda para determinar las afinidades de estos hacia
la adsorción de ácidos carboxílicos en su superficie, además permiten entender la influencia
de las fuerzas electrostáticas en el fenómeno de adsorción.
1.5.1.1 Isotermas de adsorción de nitrógeno
La isoterma de adsorción de nitrógeno para el CA60B se presenta en la Figura 5.
Figura 5. Isoterma de adsorción de nitrógeno para el CA60B (Ruiz y Zambrano, 2013). 0
100 200 300
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
V
ol
u
m
e
n
(
cm
3/g
)
P/Po
11
Las isotermas de adsorción de nitrógeno dan información acerca de la porosidad del
agente adsorbente. El tipo de isoterma de la gráfica se da para sólidos microporosos que
tienen superficies externas relativamente bajas, donde la adsorción se ve limitada por la
accesibilidad al volumen de microporos en lugar del área interna de la superficie, además la
leve pendiente representa la adsorción en la multicapa en una área externa pequeña (IUPAC,
1985). Se observa un aumento en el volumen de nitrógeno adsorbido por unidad de presión
relativa para el CA60B, esto se debe a una modificación en el volumen de poro y el tamaño
de poro (Ruiz y Zambrano, 2013).
1.5.1.2 Distribución de poros
El tamaño de poro del CA60B está entre 0.96 y 5 nm, la clasificación IUPAC
establece para poros con diámetros entre 2 nm y 50 nm el nombre de mesoporo y oros con
un tamaño máximo de 2 nm se denominan microporos. El modelo utilizado para determinar
el tamaño de poro fue el DFT (Ruiz y Zambrano, 2013). El área BET es de 772 mg/g y el
volumen de poro es de 0.345 cm3/g.
1.5.1.3 Microscopia electrónica de barrido
Figura 6. Imagen MEB para el CA60B (Ruiz y Zambrano, 2013).
La microscopía electrónica de barrido tiene como objetivo obtener información
acerca de la estructura externa de las partículas, permitiendo diferenciar los cambios
morfológicos en la superficie (Ania, 2003). Se puede ver en la Figura 6 que el CA60B
12
1.5.1.4 Punto de carga cero
El PCZ es el pH requerido para obtener una carga superficial neta igual a cero. El
pHPZC es de 6.9 para el CAB. La superficie se comporta de manera básica, donde al aumentar
la concentración de la solución de agente activante el punto de carga cero disminuye. En la
Figura 7 se presenta el PCZ para el CA60B.
Figura 7. PCZ para el CA60B (Ruiz y Zambrano, 2013). 1.5.1.5 Titulación Boehm
Dado la complejidad de la química superficial de los materiales carbonosos, la
caracterización y cuantificación de los diferentes grupos funcionales que la confirma no
resulta sencilla, los resultados de la titulación de Ruiz y Zambrano (2013) son: pHPZC de 6.9,
grupos básicos 2.67 mmol/g, fenólicos 0.04 mmol/g, lactónicos 0.05 mmol/g y carboxílicos
1.6 mmol/g.
1.5.1.6 Análisis termo gravimétrico y análisis térmico diferencial
El análisis termogravimétrico es la técnica en la que la masa de una muestra de carbón
es medida de forma continua en función de la temperatura para este caso, mientras se somete
a un programa controlado de calentamiento (Ania, 2003). En el ensayo utilizaron una rampa
de temperatura de 0°C a 900 °C, con una velocidad de calentamiento de 10°C/min. En la
Figura 8 se observa el análisis termogravimétrico para el CA60B. 2
3 4 5 6 7 8
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
pH
13 Figura 8. Análisis termogravimétrico de CA60B (Ruiz y Zambrano, 2013).
La pérdida de masa entre 30°C a 100 °C se atribuye a la eliminación de agua absorbida
en los poros del carbón (METTLER TOLEDO thermal analysis systems, 2001). El CA60B
pierde un 10% de masa en dicho intervalo. En el intervalo de 145°C a 575 °C, no se presenta
una disminución significativa en la masa. Entre los 580 °C a 850 °C el CA60B pierde el 1%.
La pérdida total para el CAB es de 11%. Por lo tanto presenta una alta resistencia a elevadas
temperaturas en comparación con otros carbones activados (Ruiz y Zambrano, 2013).
1.6 Ensayos de adsorción de ácidos carboxílicos con carbón activado
Se han realizado estudios que exploran la separación de los ACV empleando CA
sintetizado a partir de residuos lignocelulósicos y la modificación del mismo con ácidos y
bases para obtener un CA que favorezca la adsorción. López (2013) utilizó como materia
prima la cáscara de sandía que fue impregnada con H3PO4 y convertida en CA y luego se
modificó el CA con NaOH 10M, que fue en dicho estudio fue nombrado como CASM
(López, 2013). Bautista y Suescún (2013) usaron bagazo de caña el cual fue impregnado con
ZnCl2 al 40% v/v para producir el ACB40. Finalmente Ruiz y Zambrano (2013) impregnaron
Cuesco de Palma con KOH al 60% p/p para luego ser carbonizado y obtener el CA60B. En
dichos estudios se utilizaron diferentes sustancias para impregnar y diferentes
concentraciones pero los que presentaron los mejores resultados de adsorción fueron los
anteriormente nombrados. Las pruebas de adsorción para los dos primeros estudios
consistieron en sumergir 1 g del material adsorbente en una solución mezcla de ácido acético
al 16% v/v, ácido propiónico al 2% v/v y de ácido butírico al 2% v/v. Ruiz y Zambrano
(2013) usaron una solución mezcla que consistía en 13.8 g/L de ácido acético, 0.67 g/L de 75
80 85 90 95 100
0 200 400 600 800
%
M
asa
r
e
m
an
e
n
te
14
ácido propiónico y 4.95 g/L de ácido butírico (Ruiz y Zambrano, 2013). El porcentaje de
recuperación de Aeq fue de 69.5% para CASM, 19.9% para ACB40 y 33.3% para CA60B.
El CA60B reportado tiene una capacidad de adsorción de 1300 mg de ácido acético
equivalente adsorbido/g de carbón activado (Ruiz y Zambrano, 2013).
1.7 Justificación
Es de gran interés buscar alternativas para la recuperación de ACV en el proceso
MixAlco®. La adsorción con resinas de intercambio iónico o con carbón activado presentan
la ventaja de que pueden ser acoplados con el proceso de fermentación (Bayazit, et al., 2011).
En la fermentación tipo MixAlco® el poder agregar adsorbente en los fermentadores puede
traer como ventaja que se disminuya (o incluso que no se requiera) el uso de agente
neutralizante para mantener el pH en el fermentador. La adsorción permitiría reducir costos
energéticos al prescindir de las etapas de deshidratación y de acid springing. El CA presenta
una ventaja adicional y es que se puede sintetizar a partir de residuos lignocelulósicos, como
el cuesco de palma.
Las pruebas anteriores de adsorción que se realizaron con CA usaron soluciones de
ACV preparadas con ácidos de alta pureza, en este estudio se realizaron pruebas de adsorción
durante la fermentación y directamente en el fermentador por lo que la capacidad de
adsorción se ve afectada. El CA provee una buena superficie para la formación de
biopelículas (Wang, 2013), esto sumado con las impurezas y sólidos del medio de
fermentación podría disminuir la capacidad de adsorción del CA. Por otra parte, la
temperatura de fermentación puede tener un papel importante que favorezca o al contrario,
que inhiba la capacidad de adsorción del CA. Los ensayos realizados en este estudio buscan
15 2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo general
Determinar la capacidad de adsorción de ácidos carboxílicos volátiles en carbón
activado durante procesos fermentativos tipo MixAlco® usando dos temperaturas de
fermentación y diferentes cantidades de carbón.
2.2 Objetivos específicos
1. Determinar la cantidad de carbón activado que debe usarse en el fermentador que
permita la mayor recuperación de ácidos carboxílicos volátiles.
2. Elaborar un protocolo para la carga y descarga del carbón activado modificado en
los fermentadores.
3. Comparar los resultados que se obtengan de conversión total y rendimiento con lo
reportado en estudios anteriores.
4. Establecer las condiciones óptimas para la recuperación de los ácidos carboxílicos
adsorbidos por el carbón activado modificado.
5. Cuantificar el aporte del carbón activado en el control del pH de la fermentación
16 3. METODOLOGÍA
3.1 Fermentaciones MixAlco 3.1.1 Incubadora rotatoria
El equipo fue diseñado por Simbaqueba en un estudio anterior (Simbaqueba, 2013) y
tiene dos compartimientos que pueden trabajar por separado. Uno de los compartimientos se
trabajó a 37°C y el otro a 50°C. Los fermentadores en la incubadora deben situarse en
posición horizontal y al ser rotatoria se puede alcanzar una buena agitación trabajando a 5
rpm. Una ilustración del equipo se muestra en la Figura 9.
Figura 9. Incubadora rotatoria.
3.1.2 Fermentadores
Los fermentadores Thermo Brand de 1L fueron cerrados con tapón plástico para
mantener las condiciones anaerobias, a los tapones se les insertó un tubo de polipropileno
17
0.25 pulgadas se insertaron en diferentes orificios en el tapón del fermentador para mejorar
la agitación. Una ilustración de los fermentadores se presenta en la Figura 10.
Figura 10. Fermentadores de 1 L.
3.1.3 Sustrato
El sustrato utilizado fue una mezcla de papel de oficina usado y residuos de comida.
Los residuos de comida fueron recolectados del restaurante WOK y fue licuado para tener
una mezcla uniforme de tamaño pequeño y se mantuvo almacenada a –20°C. El papel de
oficina fue cortado en tiras y también se adicionó gallinaza seca.
3.1.4 Medio de fermentación
El medio líquido de fermentación usado fue agua desoxigenada preparada haciendo
hervir agua destilada que luego se purgo con nitrógeno por 5 min. Cuando se encontró a
temperatura ambiente se agregaron 0.275 g/L de clorhidrato de cisteína y 0.275 g/L de
sulfuro de sodio para reducir el contenido de oxígeno. El medio debe almacenarse en un lugar
donde no este expuesto a la luz y debe quedar bien tapado (Simbaqueba 2013).
3.1.5 Inóculos
Se utilizaron microorganismos anaerobios provenientes del suelo de Zipaquirá, se
hicieron varias pruebas con inóculo fresco y adaptado para determinar cuál era mejor.
3.1.6 Inhibidor
Se busca que los inóculos produzcan ácidos carboxílicos por esto se debe inhibir la
18
en donde se adicionaron 20 g de yodoformo a 1 L de etanol, se adicionó cada dos días
alrededor de 0.1 mL de solución a cada fermentador. La solución es sensible a la luz y al aire
por esto se almacenó en botellas oscuras y se mantuvo bien cerrada (Agbobo, 2005).
3.2 Síntesis de carbón activado 3.2.1 Preparación del material
3.2.1.1 Separación del material
El residuo del cultivo de la palma tiene características diferentes que dependen de la
parte de la planta que se use. En este estudio, se recogieron residuos de endocarpio, la cáscara
de la nuez, obtenido de una planta extractora en Puerto Rico, Meta. La muestra original
recogida, contiene tanto cuesco de palma residuos de nuez, por lo cual es necesario separar
la cáscara de la nuez manualmente, para obtener una muestra de cuesco libre de nuez.
3.2.1.2 Lavado y secado del material
Obtenida la muestra libre de nuez, se realizan múltiples lavadas al cuesco de palma
con agua destilada, para eliminar la suciedad o fibras en la muestra. Posterior al lavado, el
residuo se distribuye sobre bandejas de aluminio pandas y se coloca en un horno a 74 ̊C
durante 4 d, con el fin de eliminar la humedad libre (Ruiz y Zambrano, 2013).
3.2.1.3 Molienda y tamizado
Secada la muestra, se pasó por un molino de cuchillas y luego se tamizó usando mallas
Tyler 4 (4.75 mm), 8 (2.38 mm) y 12 (1.68 mm). Se utilizó la fracción recolectada -4/+12
con el fin de uniformizar a un tamaño de partícula del cuesco entre 2.5 y 4.75 mm de diámetro
(Ruiz y Zambrano, 2013).
3.2.2 Activación y carbonización
La impregnación química, se realiza en una solución de 400 m L de hidróxido de
potasio 60% p/p. Se introduce 200 g de cuesco de palma y se agita por una hora. Posterior a
la agitación, se deja impregnar por 24 h y luego se coloca en un horno a 74 ̊ C durante 3 d
19
Para la carbonización, se utiliza un horno a 800 ̊C con un flujo de nitrógeno de 30 mL/min y a una tasa de calentamiento de 5 ̊C/min, luego se enfría a una tasa de 15 C/min
(Figura 11). El carbón resultante se lava profundamente con agua destilada mediante un extractor Soxhlet con el fin de eliminar cualquier presencia de ácido o base en el carbón, luego del lavado se seca en un horno a 74 ̊C. Una vez seco el carbón activado queda listo
para ser usado (Ruiz y Zambrano, 2013).
3.3 Fermentaciones Batch
3.3.2 Fermentación batch incubadora
Se inicia la preinoculación con una muestra de microorganismos de origen de
Zipaquirá, las condiciones fueron mesofílicas y termofílicas a 37°C y 50°C respectivamente
y con agitación de 5 rpm. Los sustratos utilizados fueron papel de oficina, residuos orgánicos
y gallinaza seca. La concentración del sustrato en los fermentadores fue de 100 g de sólido
seco/L.
Se utilizaron 16 fermentadores de 1 L de capacidad, 8 para la fermentación mesofílica
y 8 para la termofílica. Cada dos días en medio de una corriente de nitrógeno (3 L/min) se
le adicionaba el inhibidor y se tomaba 1 mL de muestra. Esta fermentación duró 43 d. La
nomenclatura para los fermentadores en la incubadora y la cantidad de CA60B agregado en
cada fermentador se presenta en la Tabla 4.
Tabla 4. Nomenclatura de los fermentadores en la incubadora. Fermentador g de CA60B
agregados
Nomenclatura fermentadores mesofílicos
Nomenclatura fermentadores termofílicos
Fermentador 1 0.00 m0 T0
Fermentador 2 0.00 m0R T0R
Fermentador 3 0.58 m025 T025
Fermentador 4 0.58 m025R T025R
Fermentador 5 1.15 m050 T050
Fermentador 6 1.15 m050R T050R
Fermentador 7 1.73 m075 T075
20 3.3.3 Determinación de ácidos carboxílicos
La concentración de la mezcla de ácidos carboxílicos en el caldo de fermentación es
analizada por medio de cromatografía de gas. Se toma 2 mL de muestra del caldo de
fermentación, se centrífuga a 4000 rpm por 5 min. El sobrenadante resultante será mezclado
con H3PO4 concentración 3M en proporciones equivalentes si se adicionó carbonato para
formar sales carboxílicas, en caso contrario no es necesario. El análisis se realizará utilizando
un cromatógrafo de gases Shimadzu GC - 2010 equipado con un detector de ionización de
llama (FID) y un inyector.
3.3.4 Equivalentes de ácido acético
Debido a que en la fermentación se genera un espectro de ácidos carboxílicos es
necesario unificar la concentración de cada ácido que se obtenga en una sola variable. Las
concentraciones obtenidas para cada ácido carboxílico fueron convertidas en equivalentes de
ácido acético. Aeq representa la cantidad de ácido acético que puede ser producida en la
fermentación si todos los ácidos carboxílicos fueran ácido acético (Datta, 1981). Cada
concentración de Aeq se calculó mediante las ecuaciones 3 a 8.
(3) O 2H + 2CO + 4HOPr 7HOAc : Propiónico
Acido 2 2
(4) O 2H 2CO 2HOBu 5HOAc : Butírico
Acido 2 2
(5) O 2H 7CO 4HOVa 13HOAc : Valérico
Acido 2 2
(6) O 2H 2CO HOCa 5HOAc : Caproico
Acido 2 2
(7) O 10H 10CO 4HOHe 19HOHe : Heptanoico
Acido 2 2
(8) L mol heptanoico 75 . 4 L mol caproico 4 L mol valérico 3.25 L mol butírico 2.5 L mol propiónico 1.75 L mol acético mol g 60.05 Aeq
21 3.3.5 Método de medición de gases
La medición del volumen del gas por medio de esta técnica, consistió en generar vacío
en una columna de agua graduada para subir el nivel de ésta. Seguido a esto se abría la válvula
que va desde el fermentador hacia la columna y de esta forma se medía la diferencia en el
volumen generado.
Adicionalmente, para garantizar una mayor precisión en los datos, se utilizó la
siguiente ecuación para calcular el volumen de gas generado, la cual incluye relaciones
hidrostáticas y la ecuación de estado (Mark, Zhang, Heaven, & Banks, 2009):
Figura 11. Representación del método de medición de gases.
𝑉𝑠𝑡𝑝= 𝑇𝑠𝑡𝑝𝐴
𝑇𝑎𝑡𝑚𝑃𝑠𝑡𝑝((𝑃𝑎𝑡𝑚− 𝑃𝐻2𝑂 (𝑇𝑎𝑡𝑚)− 𝜌𝑏𝑔(ℎ𝑡2− ℎ𝑐2)) ℎ𝑐2− (𝑃𝑎𝑡𝑚− 𝑃𝐻2𝑂(𝑇𝑎𝑡𝑚)−
𝜌𝑏𝑔(ℎ𝑡1− ℎ𝑐1)) ℎ𝑐1) (9)
Donde,
𝑠𝑡𝑝 = 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟
𝑃𝐻2𝑂= 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝜌𝑏 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎 𝑔 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑
22 3.3.6 Parámetros de las fermentaciones
Los siguientes parámetros se usan para evaluar el desempeño de las fermentaciones: 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 = SV digerido
SV alimentado (10)
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =ACV producidos
SV alimentado (11)
𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 =ACV producidos
SV digerido (12)
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 = ACV producidos
23 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Experimentos Fermentación 4.1.1 Caracterización sustrato
Los sustratos utilizados en la fermentación fueron caracterizados para propiedades
como solidos totales, humedad y solidos volátiles que se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5. Caracterización de sustrato.
Sustrato Sólidos totales (%) Humedad (%) gramos de solidos volátiles/ Kilogramo de sólido seco
Gallinaza seca 85.0 15.0 800
Residuos de comida 20.6 79.4 990
Papel de oficina 94.0 6.00 871
4.1.2 Preinoculación
Se realizaron varias pruebas de preinoculación con microorganismos de Zipaquirá,
las primeras pruebas de adaptación de los microorganismos al papel de oficina se llevaron a
condiciones mesofílicas (37°C) y termofílicas (50°C) a 5 rpm y con una concentración de
20 g/L de sustrato, las primeras pruebas arrojaban resultados bajos de producción de ACV
con concentraciones de Aeq menores a 0.3 g/L. No se utilizó ningún agente neutralizante
para control del pH pero si se agregó la solución para inhibición de la metanogénesis y se
purgó con Nitrógeno. A pesar de mantener el inhibidor fuera del alcance de la luz y tapado
se pudo apreciar que con el tiempo su efecto se veía disminuido, razón por la cual se debió
preparar solución fresca de inhibidor cada dos semanas. El tiempo de estas fermentaciones
de preinoculación fue de 4 semanas, lo cual es el doble de lo esperado con un estudio anterior
que usó inóculos de Zipaquirá (Simbaqueba, 2013).
Se tomaron los microorganismos que se adaptaron mejor y se volvió a preinocular
pero esta vez la concentración de solidos fue de 100g/L. Manteniendo el inhibidor fresco se
pudo alcanzar después de 25 días una concentración Aeq de 1.23 g/L para condiciones
24
sustrato se produce mayor cantidad de ACV pero el efecto indeseado es que el papel absorbe
el medio líquido haciendo que aglutine el medio y el sustrato lo que afecta la agitación y el
contacto entre las fases. Para separar el inoculo se centrifugó a 4000 rpm por 10 minutos.
4.1.3 Carbón activado
A partir de 200 gramos de cuesco molido se obtuvieron 36.42 g de CA60B, el
rendimiento se obtiene al dividir la cantidad de carbón activado/ la cantidad de cuesco
molido, y en este caso fue de 18.21%. El CA60B Se distribuyó en tres diferentes cantidades
para tres diferentes concentraciones de Aeq, para concentraciones de Aeq de 2.5 g/L, 5.0 g/L
y 7.5 g/L se usaron 0.58 g/L, 1.15 g/L y 1.73 g, de CA60B respectivamente. Estas cantidades
de CA60B se calcularon teniendo en cuenta que 1 g de CA60B puede adsorber 1300 mg de
Aeq (Ruiz & Zambrano, 2013). El CA fue puesto en una tela permeable que posteriormente
fue cerrada con hilo para evitar pérdidas de CA (Figura 12) y facilitar la remoción de los
fermentadores (ver Anexo 1).
25 4.1.3 Experimentos batch incubadora
Los fermentadores en la incubadora se sitúan en posición horizontal, posee dos
compartimientos separados cada uno con capacidad para 16 fermentadores de 1L. Se usaron
8 fermentadores por compartimiento, en el compartimiento uno se trabajó bajo condiciones
mesofílicas a una temperatura de 37°C y en el compartimiento dos se trabajó bajo
condiciones termofílicas a una temperatura de 50°C. La incubadora presenta una agitación
rotatoria por rodillos y para la fermentación se fijó en 5 rpm. La cantidad inicial de sólidos
en cada fermentador fue de 100 g/L, 240 mL de agua desoxigenada y 60 mL de inoculo
adaptado con papel de Zipaquirá. La composición del sustrato se muestra en la Tabla 6.
Tabla 6. Composición del sustrato por fermentador. Sólidos Cantidad (g) Porcentaje (%) Papel de oficina 24.0 80.0 Gallinaza seca 4.43 14.8 Residuos orgánicos 1.42 4.6 Nutriente seco 0.15 0.50 Total Sustrato 30.0 100
El tiempo total de las fermentaciones fue de 43 d y se realizó el seguimiento de la
fermentación por medio del pH y midiendo las concentraciones de ácido en los fermentadores
por cromatografía, en las Figuras 13-16 se pueden observar los perfiles para condiciones
mesofílicas. Los perfiles superiores corresponden al pH y las inferiores a la concentración de
26 Figura 13. Perfiles de pH (línea superior) y concentración Aeq (línea inferior) para las
diferentes cargas de CA60B en los fermentadores a 37°C.
Figura 14. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m025, a 37°C.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
4 4,4 4,8 5,2 5,6 6 6,4 6,8
0 10 20 30 40 50
A
e
q
(
g/
L)
pH
Tiempo (d)
pH m0 pH m025 pH m050 pH m075
Aeq m0 Aeq m025 Aeq m050 Aeq m075
0 1 2 3 4 5
4 4,4 4,8 5,2 5,6 6 6,4 6,8
0 10 20 30 40 50
A
e
q
(
g/
L)
pH
Tiempo (d)
27 Figura 15. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el
fermentador m0 y el fermentador m050, a 37°C.
Figura 16. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m075, a 37°C.
El pH final varió entre 5.51 y 6.15, lo cual no es un comportamiento esperado ya que
al no agregar agente neutralizante se esperaba que el pH disminuyera por debajo de 5, sobre 0
1 2 3 4 5 6
4 4,4 4,8 5,2 5,6 6 6,4 6,8
0 10 20 30 40 50
A
e
q
(
g/
L)
pH
Tiempo (d)
pH m0 pH m050 Aeq m0 Aeq m050
0 1 2 3 4 5
4 4,4 4,8 5,2 5,6 6 6,4 6,8
0 10 20 30 40 50
A
e
q
(
g/
L)
pH
Tiempo (d)
28
todo al comienzo de la fermentación. La concentración Aeq varió entre 1.76 y 2.73, estas
cantidades se consideran bajas. Para el fermentador tomado como blanco el pH se encuentra
por encima de los demás fermentadores y la concentración Aeq se encuentra por debajo
cuando lo esperado era lo opuesto ya que al blanco no se le agregó CA60B. No es posible
determinar la adsorción comparando los fermentadores con el blanco.
En las Figuras 17 -20 mostramos los perfiles para condiciones termofílicas.
Figura 17. Perfiles de pH (línea superior) y concentración Aeq (línea inferior) para las diferentes cargas de CA60B en los fermentadores a 50°C.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
0 10 20 30 40 50
A
e
q
(
g/
L)
pH
Tiempo d
pH T0 pH T025 pH T050 pH T075
29 Figura 18. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el
fermentador m0 y el fermentador m025, a 50°C.
Figura 19. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el fermentador m0 y el fermentador m050, a 50°C.
0 1 2 3 4 5 6
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
0 10 20 30 40 50
A
e
q
(
g/
L)
pH
Tiempo d
pH T0 pH T025 Aeq T0 Aeq T025
0 1 2 3 4 5 6 7 8
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
0 10 20 30 40 50
A
e
q
(
g/
L)
pH
Tiempo d
30 Figura 20. Comparación de perfiles de pH y de concentración Aeq (g/L) entre el
fermentador m0 y el fermentador m075, a 50°C.
A 50°C el pH final varió entre 5.87 y 6.01 y la concentración Aeq estuvo entre 3.14
y 3.76, las concentraciones finales fueron más altas que a 37°C. El comportamiento del
blanco es similar a lo reportado a 37°C, el pH estuvo por encima de los otros fermentadores
y la concentración de ácido estuvo por debajo.
Al final se calcularon los diferentes indicadores del desempeño de la fermentación,
que podemos ver en la Tabla 7.
Tabla 7. Parámetros de las fermentaciones.
Fermentación Mesofílica Termofílica
Aeq (g/L) 2.32 ± 0.43 3.34 ± 0.32
AA (% peso) 86.5 ± 7.2 73.4 ± 3.6
AP (% peso) 13.5 ± 3.2 -
AB (% peso) - 26.6 ± 4.1
AP/AA 0.157 ± 0.042 -
AB/AA - 0.366 ± 0.079
Conversión (g SV digerido/ g SV alimento)
0.182 ± 0.042 0.204 ± 0.028 Selectividad (g ácido/ SV digerido) 0.07 ± 0.02 0.01 ± 0.031 Rendimiento (g ácido/g SV alimentado) 0.014 ± 0.06 0.016 ± 0.01 Productividad (g ácido/(L liq - d) 0.054 ± 0.03 0.080 ± 0.07
0 1 2 3 4 5 6 7 8
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
0 10 20 30 40 50
A
eq
(g
/L
)
pH
Tiempo d
31
La conversión obtenida fue para el caso mesofílico de 0.182 ± 0.042 (g de sólidos
volátiles digeridos/ g sólidos volátiles alimentados) y la conversión para el termofílico fue
de 0.204 ± 0.028 (g de sólidos volátiles digeridos/ g sólidos volátiles alimentados). El
rendimiento en el caso mesofílico fue de 0.014 ± 0.06 (g de ácido/ g sólidos volátiles
alimentados) y para el termofílico fue de 0.016 ± 0.01. Comparando con lo obtenido por
Forrest (2010) que uso los mismos sustratos pero solo a condiciones termofílicas tenemos
0.64 ± 0.11 para el valor de conversión y 0.27 ± 0.05 para el de rendimiento, vemos que la
conversión obtenida es el 31.8% de la de Forrest y el rendimiento es el 6%. Valores que eran
de esperarse teniendo en cuenta que la concentración Aeq de Forrest fue de 21.9 ± 4.41 g/L
y la nuestra fue únicamente de 3.34 ± 0.32 g/L. Forrest (2010) reporta 70.8 % de AA y 25.8%
de AB muy similar al 73.4% de AA y 26.6% de AB obtenidos en nuestra fermentación.
Como se muestra en la Tabla 7 los ácidos encontrados en las fermentaciones
mesofílicas fueron el ácido acético y el ácido propiónico y en las termofílicas acético y
butírico. Por lo general se encuentran una mezcla de mucho más de dos ácidos carboxílicos.
El proceso MixAlco® toma los ácidos que tienen cadena corta y por un proceso de
cetonización los convierte en cadenas más largas que luego se transforman en gasolinas. Al
tener mezclas variadas de ácidos se producen diferentes productos durante la cetonización y
aunque todos se convierten en combustible (Taco et al 2014) el hecho de no poder controlar
las cadenas que se forman hace que no se puede formular un combustible superior. El inoculo
de Zipaquirá presenta la ventaja de que solo produce un par de ácidos C2- C3 y C2-C4, lo
cual da un mayor control de los productos que se pueden obtener después de la cetonización,
el inconveniente que se presenta es la baja producción que hasta el momento se ha obtenido
con este inoculo.
En la Figura 21 se observa cómo va variando la relación de AP/AA y de AB/AA a
32 Figura 21. Relación de ácidos en las fermentaciones. (a) AP/AA a 37°C, (b) AB/AA a
50°C.
Para las condiciones mesofílicas la relación final de AP/AA estuvo entre 0.15 – 0.21
y para las termofílicas la relación final de AB/AA estuvo entre 0.29- 0.47.
4.2 Desorción
Una vez seco el CA60B se puso en contacto con agua destilada donde se mantuvo la
relación de 5 ml de agua / g de CA para mantener las mismas condiciones de sonicación
usadas por Bautista y Suescún (2013). Las cromatografías mostraron que no hubo desorción.
Este método presenta otro problema y es que destruye el CA. Con el método de desorción
usado por Ruiz y Zambrano (2013), se dejó por 24 h al CA en tubos falcon a 40°C. Sólo un
fermentador arrojo un valor cuantificable de 30 mg de Aeq / g de CA60B. Al no obtener
resultados de adsorción – desorción se planteó un nuevo experimento.
4.3 Experimentos de adsorción-desorción para CA60B y papel
Se prepararon cuatro diferentes concentraciones de Aeq, con una relación de 0.04
AP/AA para las condiciones mesofílicas y de 0.31 AB/AA para las termofílicas. Las
concentraciones de Aeq eran 1.25 g/L, 2.5 g/L, 5.0 g/L y 7.5 g/L. Se tomaron 10 mL de cada
solución y se agregaron a 0,1 g de CA60B, lo mismo se hizo para el papel. Se dejaron
adsorber por 10 días, los resultados de la adsorción con CA60B se muestran en la Figura 22. 0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
10 20 30 40 50
Re
la
ci
ón
d
e
co
n
cent
ra
ci
ón
Tiempo d
AP/AA m0 AP/AA m025
AP/AA m050 AP/AA m075
0 0,2 0,4 0,6 0,8
10 20 30 40 50
Re
la
ci
ón
d
e
co
n
cent
ra
ci
ón
Tiempo d
AB/AA T0 AB/AA T025
AB/AA T050 AB/AA T075
(b) (a)
33 Figura 22. Efecto de la concentración inicial sobre la adsorción con CA60B. (a) adsorción de Aeq a 37°C, (b) adsorción de Aeq a 50°C, (c) adsorción de AA a 37°C, (d) adsorción de
AA a 50°C, (e) adsorción de AP a 37°C, (f) adsorción de AB a 50°C.
0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 50 100 150 200 250 300
0 5 10
A d so rci ón d e á c. t ot al e s C an t. a d so rb id a d e á c. t ot al e s a 37 °C qe (m g/ g)
Concentración inicial de ác. totales (g/L)
qe (mg/g) % adsorción
0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 50 100 150 200 250 300 350
0 5 10
A d so rci ón d e á c. t ot al e s C an t. a d so rb id a d e á c. t ot al e s a 50 °C q e ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. totales (g/L)
qe (mg/g) % adsorción
(b) 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 50 100 150 200 250 300
0 5 10
A d so rci ón d e á c. a cét ico C an t. a d so rb id a d e á c. a cét ico a 37 °C qe (m g/ g)
Concentración inicial de ác. acético (g/L)
qe (mg/g) % adsorción
(c) 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 50 100 150 200 250 300
0 2 4 6
A d so rci ón d e á c. a cét ico C an t. a d so rb id a d e á c. a cét ico a 50 °C q e ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. acético (g/L)
qe (mg/g) % adsorción
(d) 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 5 10 15
0 0,2 0,4
A d so rci ón d e á c. p rop ión ico C an t. a d so rb id a d e á c. pr opi óni co a 37 °C qe (m g/ g)
Concentración inicial de ác. propiónico (g/L)
qe (mg/g) % adsorción
(e) 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 0,5 1 1,5
A d so rci ón d e á c. b u tí ri co C an t. a d so rb id a d e á c. b u tí ri co a 50 °C q e ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. butírico (g/L)
qe (mg/g) % adsorción
(f) (a)
34
Vemos que el porcentaje de adsorción es alto a bajas concentraciones y por el
contrario la cantidad adsorbida es mayor entre más alta sea la concentración. A
concentraciones bajas el CA60B adsorbe la mayoría de los ácidos en solución pero conforme
aumenta la concentración su porcentaje de adsorción baja.
En general el proceso de adsorción se ve beneficiado por una mayor concentración
posiblemente debido a una mayor disponibilidad de moléculas de ácidos y un mayor flujo
gracias a un gradiente de concentración más grande.
La reducción del porcentaje de remoción sería causada por un descenso en la tasa de
adsorción debido a la saturación de la superficie disponible y poros abiertos.
El descenso es considerable tanto en condiciones mesofílicas como en condiciones
termofílicas, como se puede ver en la Figura 22 (a) el porcentaje de adsorción de ácidos
equivalentes totales pasa de un 90% a un 30%, la Figura 22(b) muestra el caso termofílico
que pasa de 90% de adsorción de ácidos equivalentes totales a un 40%. Se dejó por más días
el experimento esperando que se pudiera absorber pero los resultados obtenidos fueron
inesperados.
El experimento se mantuvo otros 7 d y los valores cambiaron, mostrando que se
produjo un proceso de desorción. Los resultados de la desorción de los ACV adsorbidos por
35 Figura 23. Efecto de la concentración inicial sobre la desorción. (a) desorción de Aeq a
37°C, (b) desorción de Aeq a 50°C, (c) desorción de AA a 37°C, (d) desorción de AA a 50°C, (e) desorción de AP a 37°C, (f) desorción de AB a 50°C.
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 0 25 50 75 100 125 150
0 5 10
D e so rci ón d e á c. t ot al e s C ant . r ecup er ada de ác. t ot al es a 3 7 °C q e ' ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. totales (g/L)
qe' (mg/g) % desorción
(a) 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 0 20 40 60 80 100
0 5 10
D e so rci ón d e á c. t ot al e s C ant . r ecup er ada de ác. t ot al es a 5 0 °C q e ' ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. totales (g/L)
qe' (mg/g) % desorción
(b) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 0 25 50 75 100 125 150
0 5 10
D e so rci ón d e á c. a cét ico C a n t. r ec u p er a d a d e á c. a cét ic o a 37 °C qe' ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. acético (g/L)
qe' (mg/g) % desorción
(c) 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 0 10 20 30 40 50 60
0 2 4 6
D e so rci ón d e á c. a cét ico C an t. r e cu p e ra d a d e á c. a cét ico a 5 0 °C q e ' ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. acético (g/L)
qe' (mg/g) % desorción
(d) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 0 2 4 6 8 10
0 0,2 0,4
D e aor ci ón d e á c. p rop ión ico C an t. r e cu p e ra d a d e á c. pr opi óni co a 37 °C qe' ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. propiónico (g/L)
qe' (mg/g) % desorción
(e) 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 0 5 10 15 20
0 0,5 1 1,5
D e so rci ón d e á c. b u tí ri co C ant . r ecup er ada de ác. bu tí ri co a 5 0 °C q e ' ( m g/ g)
Concentración inicial de ác. butírico (g/L)
qe' (mg/g) % desroción
