CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL
3.3 Discusión de resultados
El maíz morado se utiliza ampliamente como colorante natural en la preparación de la mazamorra y chicha morada, luego de ello, generalmente el residuo sólido (grano) es desechado junto a otros residuos y termina en un botadero o relleno sanitario, muy pocos le dan otros usos como alimento para animales menores en la zona rural, por lo cual este residuo presenta condiciones para ser utilizado como materia prima en la producción de biocombustibles de segunda generación y en la tesis se investigó la primera etapa (pretratamiento) de la producción de bioetanol. El maíz “común” no se eligió en la tesis, a pesar que su producción es muchísimo mayor que el maíz morado, porque producto de su uso el grano es consumido o utilizado y no deja algún residuo sólido del grano.
Según MINAGRI (2012), en Perú se siembra 5000 ha de maíz morado y mayormente se cultiva en las regiones de Arequipa, Ica, Lima, Huánuco, Cajamarca y Ayacucho.
Considerando que aproximadamente se produce 5000 a 6000 kg de maíz por hectárea, se tendría entre 25000 a 30000 TM de maíz y los residuos que se genera podrían ser aprovechados como materia primar para la producción de etanol.
En la tesis se investigó el pretratamiento ácido debido a que se considera el método de pretratamiento más destacado (…). El ácido rompe los enlaces covalentes en los enlaces compuestos en la estructura lignocelulósica y da como resultado la formación de azúcares reductores. Los ácidos más utilizados son el ácido sulfúrico, ácido nítrico y ácido clorhídrico (Xu y Huang, 2014). De estos ácidos, el ácido sulfúrico se usa principalmente debido a su bajo costo y alta eficiencia en la remoción de lignina (Sindhu et al., 2011). (Niju & Swathika, 2019, p. 2). En este aspecto otros investigadores afirman aspectos similares y favorables del pretratamiento investigado, tales como (Solarte-Toro et al., 2019, p. 588), (Phwan et al., 2018, p. 83) y (Rezania et al., 2020, p. 4).
En el pretratamiento ácido se estudia “la carga de sólidos, concentración de ácido, temperatura y tiempo de residencia” (Solarte-Toro et al., 2019, p. 588). Estas condiciones determinadas experimentalmente por los investigadores son diferentes en el pretratamiento de las partes del maíz como tallo, hoja, flor, mazorca y cáscara (chala), obviamente en otros productos. En la Tabla 24 se presenta un resumen de dichas condiciones de las investigaciones que se consideraron en los antecedentes.
Tabla 24
Condiciones del pretratamiento ácido del maíz determinadas por investigadores
Investigadores Parte del maíz
Carga de sólidos
(%)
Concentración de H2SO4
(%)
Temperatura (°C)
Tiempo (minutos)
Yu et al. (2019) Rastrojo 10%
(p/p) 1% (p/p) 160 10
Yuan et al.
(2018) Rastrojo 10%
(p/p) 1% 180 10
Li et al. (2016)
Tallo, hoja, flor, mazorca y cáscara
10%
(p/v) 2% (p/v) 121 60
Tai & Keshwani
(2014) Rastrojo 10%
(p/p) 1.75% (p/v) 135 160
He et al. (2014) Rastrojo 2.5% 185 3
Van Eylen et al.
(2011) Fibra 10%
(p/p) 160 10
Van Eylen et al.
(2011) Mazorcas 10%
(p/p) 160 10
Van Eylen et al.
(2011) Rastrojo 7.5%
(p/p) 180 10
Noureddini &
Byun (2010) Fibra 5% (p/p) 1,5 % v/v 140
M. Chen et al.
(2009) Rastrojo 10%
(p/v) 1,5 % v/v 106-108 360
Schell et al.
(2003) Fibra 0.5%-1.41%
(p/p) 165-183 3-12
Saha & Bothast
(1999) Fibra 0,5 % v/v 121 60
El rastrojo de maíz consiste en las hojas, tallos y mazorcas de maíz.
En la investigación la concentración del H2SO4, tiempo y temperatura óptima son 2 h, 64.64 °C y 0.1% (v/v), respectivamente, en el pretratamiento ácido de residuos de maíz morado. Si se compara a los valores mostrados de la tabla anterior, los que se obtuvieron son menores, probablemente se debe a que los residuos de maíz morado que se utilizó es lo que es un residuo de la preparación de la chicha morada, donde la mezcla agua-maíz está en
ebullición aproximadamente 1 h. Este proceso es prácticamente un pretratamiento hidrotermal con agua caliente líquida que tiene elimina “la mayor parte de la hemicelulosa y parte de la lignina degradándolas en fracciones solubles, lo que resultó en la alteración de la estructura recalcitrante de la pared celular (Cybulska, Brudecki & Lei, 2013)” (Rezania et al., 2020, p. 6).
Las características y contenido de la biomasa lignocelulósica varía según el material lignocelulósico, y se sabe que está compuesta de polímeros de carbohidratos como celulosa, hemicelulosa y lignina (polímero aromático), respecto al maíz, el rastrojo contiene 40.00%, 29.60% y 23.00%, respectivamente, y la mazorca contiene 45.00%, 35.00% y 15.00%, respectivamente (Tyagi et al., 2019, p. 23). Considerando las partes de la planta del maíz, el rastrojo presenta mayor contenido de lignina que la mazorca, al ser la lignina un material recalcitrante o polímero complejo de descomponer, las condiciones del pretratamiento tienen que ser mayores, tal es así que en los antecedentes aproximadamente la temperatura es 180
°C y la concentración de H2SO4 es 2%; mientras que, las condiciones son menores para la fibra del maíz.
Behera et al. (2014) destaca que la concentración de los ácidos diluidos varían de 0.1% a 2% (p/v) en el pretratamiento y que éste proceso con ácido diluido es el más proceso efectivo para lignocelulosas, que genera productos de menor degradación que los pretratamientos ácidos concentrados. Esta afirmación de alguna manera sustenta que la concentración de azucares reductores luego del pretratamiento es mayor a menor concentración de H2SO4; 10.749, 1.516 y 0.940 g/L para 0.1%, 2.5% y 4.00% (v/v), respectivamente, tal como se muestra en la Tabla 18 y Figura 19.
En el pretratamiento ácido se produjo 11.387 g de azucares reductores (glucosa, fructuosa y otros) a partir de 25 g de residuos de maíz morado, considerando que en la hidrólisis enzimática se incrementa en un 50% la producción de azucares reductores, a la fermentación ingresaría 17.081 g los cuales considerando la siguiente reacción química:
C6H12O6 + S. cerevisiae→2 C2H5OH + 2 CO2
Y una conversión total, la cantidad de etanol sería 4.368 g (0.095 molg) y la energía que representa es 129.6 kJ (calor de combustión del etanol de -1366.91 kJ/molg)
Las enzimas que se utilizan generalmente en la hidrólisis enzimática, segunda etapa del proceso de producción del etanol, son la α-amilasa, glucoamilasa y celulasa, el pH óptimo de operación de ellas oscila entre 5 a 7, 3.5 a 5 y 3-6, respectivamente. En la fermentación y última etapa se utiliza la levadura Saccharomyces y su pH recomendable es entre 4.4 - 6.5 Como se observa son soluciones ácidas y para lograr la condición de pH en la hidrólisis y
fermentación, a la mezcla producto del pretratamiento se tiene que agregar más H2SO4, porque en el pretratamiento se utiliza soluciones de H2SO4 diluidas (0.1%, 2.5% y 4%). Por lo detallado, no es necesario neutralizar la mezcla y no afecta a los azucares reductores producidos en el pretratamiento con ácido diluido.
Respecto al tiempo de pretratamiento, es menor (en orden de pocos minutos) cuando la temperatura y la concentración de H2SO4 son relativamente altos, y es mayor (alrededor de horas) en caso contrario. De la Figura 18, la concentración de azucares reductores disminuye a mayor tiempo de pretratamiento, una de las razones es que se debe a que cuanto es mayor el tiempo se genera productos inhibidores para la fermentación tales como el
“hidroximetil furfural, furfural y subproductos como compuestos fenílicos y ácidos carboxílicos alifáticos (Jönsson y Martín, 2016)” (Niju & Swathika, 2019, p. 2).
A mayor temperatura de pretratamiento la concentración de azucares reductores es menor como se observa en la Figura 18, se debe a que temperaturas más altas de operación en el pretratamiento con ácido diluido, generalmente producen compuestos de degradación del azúcar. Algunos de estos compuestos son el furfural, 5-hidroximetilfurfural (HMF), ácido levulínico y ácido fórmico, etc., se han descrito como inhibidores potenciales del crecimiento de los microorganismos fermentadores utilizados en el procesamiento posterior (Janga, Hägg & Moe, 2011) (Solarte-Toro et al., 2019, p. 589). Los aspectos que se discuten en los apartados anteriores respecto a las variables independientes sustentan las condiciones optimadas determinadas en la investigación.
Las imágenes de la morfología de los residuos de maíz morado antes (Figura 12) y después (Figura 13) del pretratamiento ácido confirman el efecto físico de éste proceso, que es el de ampliar la superficie de la biomasa o aumentar el área superficial y porosidad de las materias primas y se observa que algunas fibras se separaran de la estructura. Sin pretratamiento presenta una estructura casi ordenada, luego del pretratamiento se altera totalmente en función a tiempo de pretratamiento, temperatura de pretratamiento y concentración de H2SO4.
El tamaño de la partícula también de la biomasa influye en el pretratamiento debido a que cuanto menor son las partículas es mayor al área para el pretratamiento y procesamiento en general, tal como lo demostró Kumar et al. (2019), en la investigación el tamaño de partícula fue 1 mm, de forma similar que Moodley & Gueguim Kana (2018) y Van Eylen et al. (2011).
Considerando que son mínimo cuatro variables que influyen en el pretratamiento ácido con H2SO4, se utilizó el diseño Box-Behnken con tres variables independientes y tres
niveles como Moodley & Gueguim Kana (2018) y para optimizar si aplicó el método de superficie de respuesta.
CONCLUSIONES
1. La concentración de H2SO4 e interacción tiempo de pretratamiento×temperatura de pretratamiento y tiempo de pretratamiento×concentración de H2SO4 influyen significativamente en la concentración de azucares reductores en el pretratamiento ácido de residuos de maíz morado. A las condiciones óptimas estimadas por el método de superficie de respuesta, la máxima concentración de azucares reductores es 11,48±0.99 g/L.
2. La concentración del H2SO4 óptima el pretratamiento ácido de residuos de maíz morado es 0.1 (v/v). La concentración de azucares reductores del pretratamiento es mayor a menor concentración de H2SO4; 10.749, 1.516 y 0.940 g/L para 0.1%, 2.5%
y 4.00% (v/v), respectivamente.
3. El tiempo óptimo del pretratamiento ácido de residuos de maíz morado es 2 h. A mayores valores la producción de azucares no es significativa.
4. A 60 °C y 70 °C la concentración de azucares reductores es 3.44 y 4.25 g/L, es en este intervalo donde se encuentra la temperatura óptima en el pretratamiento ácido de residuos de maíz morado y es 64.64 °C.
RECOMENDACIONES
1. En la literatura se indica que la concentración de azucares reductores disminuye a mayor tiempo de pretratamiento debido a que genera productos inhibidores para la fermentación, por lo que se recomienda identificar y cuantificar estas sustancias.
2. Investigar la cinética del pretratamiento ácido de los residuos de maíz morado y otras biomasas lignocelulósicas.
3. Identificar y medir a que compuestos se degrada el azúcar cuando las temperaturas de pretratamiento son relativamente altos.
4. Investigar la hidrólisis enzimática y fermentación a partir de los residuos de maíz morado pretratados, considerando los valores óptimos de la concentración del H2SO4, tiempo y temperatura del pretratamiento acido.
5. Utilizar niveles más altos de temperatura y concentración de H2SO4 del pretratamiento para reducir el tiempo y la formación de subproductos (inhibidores) que afectan negativamente la fermentación de loso azucares producidos.
6. Investigar el tamaño de la partícula y carga de sólidos de la biomasa debido a la influencia en la concentración de azucares reductores en el pretratamiento ácido.
7. Evaluar otro pretratamiento para los residuos de maíz morado u otros o biomasa lignocelulósica.
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ANEXOS
Anexo A: Fotografías de las experimentaciones Figura 21
Soluciones de H2SO4 para el pretratamiento de los residuos de maíz morado
Figura 22
Pesaje de la muestra de los residuos de maíz morado
Figura 23
Pretratamiento de los residuos de maíz morado
Figura 24
Filtrado de la mezcla de residuos de maíz morado pretradados
Figura 25
Ebullición de la muestra líquida para la determinación de azucares reductores por el método DNS
Figura 26
Muestras preparadas para la lectura en el espectrofotómetro de UV
Figura 27
Muestras preparadas en la cubeta para lectura en el espectrofotómetro de UV
Figura 28
Residuos de maíz morado pretratado y seco para el SEM