PRODUCCION DE BIOETANOL A PARTIR DE HARINA DE PAPA …

PRODUCCION DE BIOETANOL A PARTIR DE HARINA DE PAPA BASADA EN LA

COMPARACIÓN DE ENZIMAS HIDROLISANTES EN EL PROCESO DE SACARIFICACIÓN

DANIEL FERNANDO FORERO MUNEVAR

200312233

Asesor

PABLO ORTIZ

Jurados

ANDRES GONZALES

CAMILO SUAREZ

Universidad de los Andes

Enero de 2008

2 Producción de Bioetanol a partir de Harina de Papa y Estudio de Enzimas Hidrolizantes IQ-2007-II-19

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INDICE Pág.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3 2. OBJETIVOS 5

a. General b. Específico

3. ESTADO DEL ARTE 6 a. Definición de Biocombustible 6

i. Clasificación 6 ii. Estado Actual Mundial 8

b. BIO-ETANOL 10 i. Fuentes 11 ii. Caracterización de la Harina de Papa 13 iii. Licuefacción y Sacarificación (Hidrólisis) 16 iv. Fermentación 18 v. Destilación y Deshidratación 21 vi. Otras Consideraciones 23

c. Legislación Colombiana 23 4. METODOLOGIA 26

a. Caracterización de la Materia Prima 26 i. Humedad 26 ii. Cenizas 26 iii. Contenido de Almidón 26

b. Producción de Harina 27 c. Gelatinización 27 d. Comparación de la α-Amilasa con Glucoamilasa 28 e. Fermentación 30 f. Separación 31 g. Análisis de Resultados, Establecimiento del Procedimiento 32

5. DATOS Y ANALISIS DE RESULTADOS 33 a. Caracterización de la Materia Prima 33

i. Humedad 33 ii. Cenizas 34 iii. Contenido de Almidón 35

b. Secado de Papa 37 c. Gelatinización 41 d. Comparación de la α-Amilasa con Glucoamilasa 42 e. Fermentación 55 f. Separación y Simulación 59 g. Establecimiento del Procedimiento 69

6. CONCLUSIONES 74 7. BIBLIOGRAFIA 75 8. GLOSARIO 77 9. ANEXOS 79


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PRODUCCION DE BIOETANOL A PARTIR DE HARINA DE PAPA BASADA EN LA

COMPARACIÓN DE ENZIMAS HIDROLISANTES EN EL PROCESO DE SACARIFICACIÓN

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Actualmente el mundo atraviesa por una crisis energética debido a la escasez de crudo

existente, el elevado precio que implica este recurso no renovable y la su uso como carburante

para la industria, son factores de alto impacto al momento de tomar decisiones acerca del uso

del petróleo y la investigación hacia nuevos productos. De aquí surge la necesidad de estudiar

otras fuentes de materias primas que generen material carburante, para mitigar y estabilizar la

importación de la gasolina en países en desarrollo como Colombia (Arias, 2006). Para esto se

desarrollan programas institucionales para producir carburantes alternos viables a partir de

biomasa como materia prima, quienes mantendrán estable el consumo energético en el país.

El proyecto se encuentra enfocado a producir bioetanol a partir de harina de papa,

biocombustible de mayor impacto por su uso en la industria y la sociedad. Para esto es

necesario tener fuentes naturales ricas en carbohidratos como la caña de azúcar, la yuca o

papa; lo que implica que el problema sea justificado como una razón industrial, investigativa y

social ya que se dará un desarrollo regional importante en las zonas en las que hay estas

materias primas disponibles. Debido al uso de material biodegradable, o transformado por el

ambiente para su uso benéfico, el bioetanol tiende a reducir las emisiones de gases

invernadero, justificación ambientalista del proyecto (Arias, 2006).

Colombia, quien ha desarrollado una estructura fundamentada en la producción de

bioetanol a partir de Caña, ha incentivado la búsqueda de nuevas fuentes de etanol y hacer de

este un proyecto viable en el área económica y social. Se ha argumentado que con la

implementación de la ley 693 del 2001, se debe mezclar la gasolina con 10% de bioetanol,

generado por 6 plantas actualmente abiertas, generando 430 millones Lts/año (Arias, 2006).

Con la esencia del proyecto en el uso de papa como materia prima para la transformación

a bioetanol, esta es una oportunidad para contribuir con el desarrollo de la industria de la papa

en Colombia, además de que este se encuentra actualmente incentivado por el estado, su alta

disponibilidad en distintas regiones del país es una herramienta para el desarrollo regional en el

ámbito industrial, económico y social, con la investigación realizada actualmente (Redepapa,

2005) se incrementará el rendimiento por hectárea, se estabilizará el precio y se dará una

actualización total en los equipos y clases de papa, buscando mayor eficiencia al momento de

obtener la harina en el proceso de secado y molienda.

Actualmente, se están investigando vías alternas en la producción de bioetanol, con el fin

de utilizar otras materias primas como la yuca, maíz u otros. Este es el punto en el que el

proyecto desarrolla parte de su enfoque, ya que se buscan vías alternas para incrementar la

eficiencia en la obtención de azucares reductores simples a partir del almidón en el proceso de

hidrólisis (licuefacción y sacarificación), para esto es necesario el uso de enzimas y

microorganismos, que bajo condiciones especiales, son capaces de hidrolizar este biopolímero

en unidades simples. El proyecto se encuentra encaminado a estudiar las enzimas α-Amilasa y


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Glucoamilasa, como catalizadores de la reacción de hidrólisis y sacarificación, para comparar el

resultado que generan en cuanto a la cantidad de azúcares reductores simples (sacarosa,

glucosa, fructosa, maltosa) obtenida y de observar cual producirá mayor cantidad de etanol,

todo dentro de unas condiciones controladas.

La generación de Etanol se hará por medio de una reacción catalizada por

microorganismos (Saccharomyces Cerevisiae), quienes transforman el etanol y los extremos

reductores de los azúcares simples en etanol y CO2. El proceso fundamentará su desarrollo en

una simulación para observar rendimientos en las reacciones y qué condiciones se manejarán

en el tren de separación equipado para lograr etanol anhídrido.


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2. OBJETIVOS

a. Objetivo General

• Contribuir con el desarrollo del plan nacional de alcohol carburante, en búsqueda de

utilizar otras materias prima como la papa para la producción de bioetanol y desarrollar

mecanismos de mayor eficiencia dentro del proceso.

b. Objetivo Específico

• Comparar los resultados generados por el uso de las enzimas hidrolizantes α-amilasa,

y glucoamilasa en el proceso de licuefacción y sacarificación para la generación de azucares

simples en la obtención de bioetanol.

• Analizar la respuesta generada por cada enzima estudiada modificando las condiciones

de temperatura, tiempo de reacción y pH en el proceso de licuefacción y sacarificación.

• Establecer un procedimiento para desarrollar el proceso de hidrólisis, en la

transformación de azucares simples a partir de harina de papa.


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3. ESTADO DEL ARTE a. Definición de Biocombustibles

Después de la segunda guerra mundial se comenzaron a utilizar algunos derivados

medios del petróleo como la gasolina, estos son combustibles de tipo líquido que cumplen

función de carburantes en distintos procesos industriales y cotidianos, como en automóviles,

calderas, doméstico en general. Debido a los problemas de escasez de este recurso no

renovable, surge la necesidad de buscar combustibles alternos que puedan suplir las

necesidades diarias en Colombia y el mundo. Es en este punto donde surgen investigaciones e

inversiones para encontrar nuevos productos que permitan suplir el petróleo y permita obtener

mayor eficiencia, a menor costo, menor inversión económica y mayor ganancia social, de aquí

se generan distintos productos como lo son los biocombustibles, energías alternas que

fundamentan su producción en materias primas biodegradables (Etanol, Biodiesel, Gas Natural,

Hidrógeno, entre otros).

El tema de interés en este proyecto son los biocombustibles y su obtención. Estos son

combustibles producidos a partir de biomasa, lo que les confiere la calidad de energía

renovable (el CO2 producido por la combustión es recuperado por las plantas en el proceso de

fotosíntesis). Dentro de los biocombustibles, los biocarburantes abarcan al subgrupo

caracterizado por la posibilidad de su aplicación a los actuales motores de combustión interna

(motores Diesel y Otto). Son, en general, de naturaleza líquida (Colzat, 2005).

i. Clasificación

Los biocombustibles se clasifican dependiendo del estado en el que se presentan como

lo es en estado sólido (residuos vegetales), líquida (bioetanol, biodiesel) y gaseosa (biogás,

hidrógeno). Estos biocarburantes proceden de materias primas vegetales, obtenidos a partir de

transformaciones físico-químicas. Actualmente se encuentran desarrollados dos tipos:

El biodiesel, este es una sustancia carburante obtenida de semillas oleaginosas del

aceite virgen extraído como el aceite de girasol, de colsa, grasa animal o a partir de aceites

usados. Este aceite es extraído y llevado a una decantación, donde se remueven los sólidos

gruesos contaminantes y aquel material que no sea parte de los reactantes en el proceso de

trans-esterificación. El aceite es llevado a un reactor donde se adicionan catalizadores y otro

tipo de sustancias como bases para llevar a cabo la esterificación, en la cual se utiliza el aceite

extraído de las semillas y se hace reaccionar con metanol o etanol, generando esteres. Estos

son llevados a un tanque de decantación donde se separa una fase ligera, quien es

transportada a un tanque de reacción de neutralización para desactivar el alcohol y la base

usando otros aditivos como ácidos. Luego es lavado con más sustancias para arrastrar todos

aquellos contaminantes y finalmente es llevado a destilación para liberar la cantidad de agua

que contiene y que es adquirida por el proceso de reacción y lavado para obtener finalmente el

Biodiesel. La parte gruesa de la decantación es destilada y neutralizada con ácido, quien a su

vez ayuda en la ruptura ácida de los enlaces por medio de una hidrólisis, esto permite separar

la glicerina de los ácidos grasos. El siguiente proceso es precipitar la glicerina de los ácidos por


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medio de una extracción líquida, esto es llevado a destilación donde se obtiene finalmente la

glicerina (Guascor, 1999). Este producto, al ser natural su contaminación es de menor impacto,

también puede ser usado en motores que funcionan en base al ACPM o Diesel.

El bioetanol es obtenido fundamentalmente a partir de materias ricas en azúcares como

la caña de azúcar, frutas, tubérculos y otras, que mediante una hidrólisis (para el caso de

materia que sea rica en almidón y celulosa) y fermentación (transformación de carbohidratos

simples a etanol) genera una mezcla de bioetanol, sólidos y agua, quien deberá ser separada

mediante procesos físicos como tamizado y centrifugado continuado con una destilación

continua, en la que se separa inicialmente el agua hasta un punto cerca al azeótropo y luego se

deshidrata con un tercer componente. Esto implica que la producción de estos combustibles

está sujeta a un uso intensivo de terreno en el cultivo de las materias primas (Navarro 1, 1986).

Como justificación del proyecto, es importante observar qué ventajas tiene usar este

tipo de productos y como afectan al ambiente. Por parte del sector de transporte, hay una serie

de ventajas medioambientales, energéticas y socioeconómicas respecto a los combustibles de

origen fósil (Navarro 2, 1986):

• Desde el punto de vista ambiental, contribuye a la reducción de emisiones de gases

contaminantes y de efecto invernadero a la atmósfera. El biodiesel no emite dióxido de

azufre, lo cual ayuda a prevenir la lluvia ácida, y disminuye la concentración de materiales

particulado, metales pesados, monóxido de carbono, hidrocarburos aromáticos y

compuestos orgánicos volátiles (VOC´s). El bioetanol, reduce las emisiones de monóxido

de carbono e hidrocarburos. Al ser biodegradable, estos no inciden negativamente en la

contaminación de suelos. También ayudan a la eliminación de residuos generados por la

industria y transformarlos en biocarburantes (ejemplo, los aceites usados para el biodiesel

y el bagazo en la caña). Con la mezcla de 10% de etanol con gasolina, se disminuye en un

27% las emisiones de CO en automóviles extranjeros, 45% en autos colombianos con 7-8

años de uso y 20% de hidrocarburos no quemados.

• Bajo la perspectiva energética, los biocarburantes son una fuente energética renovable y

limpia. Su utilización contribuye a reducir la dependencia energética de los combustibles

fósiles y otorga una mayor seguridad en cuanto al abastecimiento energético (Bourne,

2007).

• Desde el punto de vista socioeconómico, los biocombustibles constituyen una alternativa

para aquellas tierras agrícolas que aun no gozan de tecnología y de industrialización,

además del mercado en el que continuamente los productos obtenidos de la materia prima

varían como la panela y la papa (Arias, 2006).

• Presenta una ventaja en la seguridad energética ya que estos productos proveen un

seguro en la dependencia energética del petróleo (reducción estable y abastecible).

• Hay un uso mayoritario de la mano de obra campesina como medio para obtener las

materias primas y desarrollar la industria necesaria para la transformación de los productos

a los biocombustibles.


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• Se mantienen los precios de los alimentos y se estabilizan si se maneja adecuadamente el

mercado, ya que entran en competencia los terrenos de materia prima destinados para

alimento y para biocombustible, por lo que la demanda se mantendrá en la sociedad, pero

se dará mejor provecho a la tierra y se hará competitivo el negocio, como lo es el caso de

la panela, en el que se tiene una eficiencia del 40%, el 60% restante es usado para la

producción de bioetanol actualmente (CIAT, 1980).

• Integración de la parte legal, institucional, económica y social, ya que el desarrollo de este

proyecto será netamente social por el desarrollo de la tierra, se detendrá el desplazamiento

campesino y se reactivará de manera adecuada el sector agrícola.

• Se generará conciencia Ambiental y Económica por el costo actual del petróleo y el auge

que tiene el bioetanol en el mundo (Arias, 2006).

• El uso de los biocombustibles, no modificarán los automóviles si se maneja una proporción

gasolina etanol, solo se necesitan cambiar algunas partes y ajustar la compresión del motor

ya que con el mayor octanaje producido por el bioetanol, se debe cambiar el resultado de

relación aire combustible, generando un menor consumo y un mayor rendimiento del motor

(Bourne, 2007).

• Se aprovecharán esencialmente zonas de siembra y se dará una reactivación importante

de aquellas partes en la que la siembra es marginal o no cultivable, abarcando totalmente

el desarrollo rural e incrementando la tecnificación e innovación en la sociedad (Redepapa,

2005).

• Control de precio sobre la industria petroquímica y función de incentivo para estabilizar este

mercado.

• Incentivo de estudio en otras áreas como la ingeniería genética, la corrosión, estudio de

motores, control de combustibles y emisiones, etc.

• Posibilidad de exportación del bioetanol debido a los recursos y la comparación que hay

con otras naciones frente a los resultados en materia prima o tecnología.

• Incremento en la curva de aprendizaje nacional frente a este tema.

• Autosuficiencia agrícola y energética.

• En cuanto a su aplicación en de los motores de combustión interna, el biodiesel puede ser

mezclado con diesel tradicional o incluso sustituirlo totalmente. El bioetanol puede ser

mezclado en diferentes proporciones con la gasolina, si bien a partir de porcentajes del

15% pueden requerirse pequeñas modificaciones del motor. Además, el bioetanol se puede

utilizar para fabricar ETBE, aditivo de la gasolina (IICA, 1984).

ii. Estado Actual Mundial

El desarrollo industrial de los biocombustibles se puede fijar a partir de los años ‘80,

teniendo como objetivo principal el uso de los mismos con el desarrollo de los motores de

combustión. La primera demostración de funcionamiento de un motor diesel, en la Feria de

Exhibición de París de 1898, utilizaba aceite de cacahuete como combustible. Su inventor,

Rudolph Diesel, tenía en mente que el futuro de dicho motor, comparados con los motores de


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vapor, se basaba en combustibles procedentes de la biomasa, y así fue de hecho hasta los

años 20, cuando el desarrollo de la industria petrolera relegó los mismos. De igual manera, los

primeros automóviles estadounidenses de Ford funcionaban con bioetanol, en el que su

creador, Henry Ford, sostenían ideas muy similares a las de Rudolph Diesel (Bourne, 2007).

Debido a las crisis del petróleo de 1973 y 1978, las políticas energéticas de los años

’80 favorecieron la búsqueda de alternativas a los combustibles fósiles (EE.UU. y Brasil),

comenzando con el Programa Brasileño de Proalcool para el desarrollo de bioetanol a partir de

azúcar de caña. En la actualidad se tiene la idea de que los biocarburantes no podrán sustituir

totalmente a los combustibles fósiles debido a la extensión de terreno que debería tener la

materia prima para poder generar el biocombustible, pero sí complementarlos en forma de

diferentes mezclas con el fin de reducir la dependencia al petróleo, a diferencia de otras

alternativas que son excluyentes (gases licuados) y que necesitan cierta modificación en el

motor. Así los biocarburantes pueden utilizar la misma red logística de distribución que los

combustibles fósiles (IICA, 1984).

Actualmente uno de los principales impulsos del actual desarrollo de los biocarburantes

está relacionado con sus características medioambientales, y en especial, con el hecho de que

son la medida de mayor efecto para disminuir las emisiones del sector transporte y reducir su

efecto con el cambio climático.

Diagrama 1. Consumo de petróleo en Transporte, histórico y tendencia. Fuente: ICAI-ITT, 2004.

Como se puede observar en la Diagrama 1, la tendencia hecha en el consumo de

petróleo, produjo la idea de generar otras fuentes de energía como las renovables, a base de

sistemas hidráulicos, eólicos, solar y la transformación de biomasa. La utilización de los

biocombustibles como fuente y vector energético se encuadra precisamente dentro de este

aprovechamiento.

En el tema de bioetanol en Colombia, actualmente se están desarrollando proyectos en

el Valle del Cauca, Risaralda y Cauca, en los cuales se estima que con las 5 plantas trabajando

y bajo la ley 693 de 2001 se usará la gasolina motor oxigenada con 10% de etanol en las

ciudades de Bogotá, Cali y Medellín y en sus zonas de influencia. En otras ciudades, se

extenderá el uso de la gasolina oxigenada, a medida en que se construyan nuevas plantas,

siendo esta una de las justificaciones del proyecto, ya que se necesitan de nuevas fuentes de

materia prima para tener una producción estable del bioetanol. Específicamente, proyectos

como el de la Hoya del Río Suárez, se encuentran en proceso de formación, generando

entusiasmo en la región. Esta planta producirá inicialmente 300 mil litros diarios. Los estudios


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del proyecto de Vegachí, Antioquia, avanzan, con el apoyo de las autoridades locales y el

interés de los campesinos y paneleros de la región. El proyecto del Quindío, producirá 150 mil

litros por día de etanol. La empresa Petrotesting, en el departamento del Meta, investiga el

empleo de la yuca como materia prima para producir alcoholes, debido a la calidad de tierras y

el desaprovechamiento actual que hay en este producto. En Boyacá se busca realizar un

proyecto de la empresa Maquilagro, que producirá 300 mil litros por día, usando la remolacha

azucarera como materia prima (Arias, 2006).

Para la producción de alcohol carburante, es posible usar la zona ecuatorial gracias a

la variedad de climas que presenta, el territorio colombiano es apto para producir la materia

prima necesaria para instalar refinerías productoras de alcohol. La cantidad de sol que incide

en el territorio es una variable esencial, junto con la topografía, la tradición agrícola y la

disponibilidad de agua. Para satisfacer plenamente el alcohol para lograr la mezcla con la

gasolina corriente, se estima que son necesarias entre diez y doce refinerías para producir 2,5

millones de litros diarios, con capacidades variables entre 150 y 300 mil litros por día de

alcohol.

A nivel mundial, Brasil es el mayor productor y consumidor de etanol como combustible

del mundo. Desde los años 1980, Brasil ha desarrollado una extensa industria del etanol como

combustible a partir de la producción y la refinación de la caña de azúcar. Brasil produce

aproximadamente 15 millones de m³ de etanol por año. Las fábricas del etanol en el Brasil

mantienen un balance energético positivo (del +34%) al quemar la parte que no produce azúcar

de la caña (Bagazo). Esta producción ha hecho que actualmente los automóviles incorporen la

tecnología de motor flexible, que permite mezclar etanol y gasolina en el tanque sin interesar

cual es la proporción. En los Estados Unidos, la disponibilidad es baja. Apenas 600

gasolineras, de un total de 200.000, tienen surtidores E85 (85% bioetanol, 15% gasolina) y

existe una capacidad productiva de 5000 millones de galones al año. Solo como aditivo para la

gasolina sin plomo, actualmente Venezuela importa el Etanol de Brasil, sin embargo se están

construyendo plantas de obtención de Etanol a partir de la caña de azúcar y maíz; para no

depender de las importaciones. El continente europeo ha sido tradicionalmente más inclinado a

los autos pequeños y eficientes. Esta tendencia de los europeos no se ve reflejada en el

desarrollo de nuevos combustibles como el etanol, teniendo en cuenta que hay una superficie

agrícola suficiente y una escasa disponibilidad de petróleo. Sin embargo, esta mentalidad está

cambiando, un ejemplo de esto es el motor BioPower desarrollado por la empresa sueca Saab.

En cuanto a la producción de bioetanol en Europa, España es el país con mayor producción

con alrededor del 30% de los más de 900 millones de litros de capacidad. Con todos estos

países, existen otras naciones como China, Tailandia, Sudan entre otras que buscan la

independencia de los carburantes fósiles (Navarro 2, 1986).

b. BIO-ETANOL

Una de las clasificaciones dadas a los biocombustibles es el bioetanol, como se dijo

anteriormente, este es un producto obtenido de la concentración de azucares en la materia


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prima o biomasa. El etanol puede ser obtenido también de manera sintética a partir de

procesos con la adición al etileno de agua o descomposición por hidrólisis de otros productos,

sin embargo estos no tienen viabilidad por su costo alto y baja productividad. Las propiedades

para poder usar el bioetanol como combustible deben obedece al uso final que se le dará,

actualmente la producción busca un producto final deshidratado, debido a los problemas que

se generarían al momento de hacer la combustión en el motor, es por esto que además de la

destilación hasta el punto azeotrópico, se hace necesario el uso de un tercer componente que

desplace el azeótropo hasta un punto aceptable, aproximadamente un 99% en volumen de

etanol-agua. De aquí, uno de los inconvenientes del proceso, ya que se necesita de una

demanda energética alta para llevar a cabo esta separación, alimentar la energía al rehervidor

y condensador en forma de vapor y agua respectivamente implica de uso de calderas y

bombas de alta potencia, esto conlleva a que el balance de energía (consumo de energía

externa Vs energía producida por el etanol) se encuentre en equilibrio para el material

almidóneo por sus pocos desechos, mientras que la caña, con el bagazo generado, es usado

en las calderas como carburante, por lo que su balance es positivo y justificado (CIAT, 1980).

i. FUENTES

Como se dio con anterioridad de manera preliminar, el bioetanol puede ser obtenido de

distintos productos. El primero y más importante a nivel latinoamericano es la caña de azúcar.

Este es un mercado en el que la caña es usada para obtener subproductos como la panela y

azúcar para alimento, este último es quien controla el valor del carburante en el medio, y el

alcohol actualmente; teniendo en cuenta que la molienda y extracción del jugo tiene apenas un

40% de eficiencia, se puede usar el resto para producir alcohol, estabilizando el precio de la

panela y del azúcar como un producto final procesado, sin tener que afectar las plantaciones y

el área destinada para esta producción. Durante el proceso de transformación de la materia

prima a bioetanol, se generan subproductos como la melaza, que se usa principalmente en la

industria licorera, pero que actualmente se está usando en la producción de alcohol. La melaza

es un material estable a condiciones ambiente, es de fácil manejo y transporte, tiene un

contenido aproximado de 30% sacarosa y un 20% de glucosa y fructosa (azucares

fermentables), lo que genera un 50% de azúcar en la melaza, por lo que se espera que haya

un rendimiento del 3.5Kg melaza (50%)/Lts de alcohol deshidratado, y una relación de 0.35Kg

melaza/Kg de azúcar.

A manera de observación, la transformación de la caña para la producción de bioetanol

no implica una inversión mayor en la adecuación de equipos para la transformación de la

materia prima, ya que se pueden usar los mismos que están instalados en los ingenios, solo se

acoplaría la fermentación y la destilación; también hay que tener en cuenta que la materia

prima es el valor limitante en la producción de alcohol, esto implica que se debe nivelar el costo

de oportunidad de la melaza con las otras materias primas competitivas, lo que genera también

que con un auge en la productividad de alcohol, la melaza, el bioetanol y la gasolina tendrán un

costo equivalente y ayudaría en la exportación de alcohol. Otra fuente basada en la caña de


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azúcar es el jugo rico en azúcar, buena fuente para la fermentación y la producción de

bioetanol. La productividad normal de la caña es de 50ton/Hectárea año, por lo que se puede

aprovechar un 60% de la misma en la producción de bioetanol, generando aproximadamente

2500 Lts/Ha (CIAT, 1980).

La caña de azúcar se encuentra compuesta de glucosa y fructosa, azucares

fermentables, y de sacarosa, la cual es la unión de los carbohidratos anteriores, por lo que con

una hidrólisis se puede generar los residuos y por medio de fermentación, se obtiene el alcohol

y el CO2 como subproducto. La sacarosa tiene un rendimiento de 1.63Kg azúcar/Lt de alcohol,

mientras que la papa, yuca o cualquier material rico en almidón, necesita 1.54 Kg almidón/Lt de

alcohol.

Un análisis importante para la caña de azúcar es el costo necesario para la producción

del bioetanol, considerando una relación del precio máximo a pagar por la caña y el costo de

oportunidad de alcohol, se puede observar la dependencia en la calidad de la caña en el tema

del contenido de azúcar, ya que este varía entre 10 y 14%, lo mismo la productividad por

hectárea, la eficiencia en la fermentación que es de aproximadamente 90%, la contribución de

la materia prima en el costo total y el retorno que tiene la inversión sobre el precio de venta;

tomando como base un galón de alcohol (IICA, 1984), este genera:

Eq. 1

Eq. 2

Eq. 3

Donde m es la contribución de la materia prima al costo (70% aprox. para la caña), n es

el contenido de azúcar (10-14%), r es el retorno global sobre la inversión (15% frente a la

inversión y la recuperación del mismo) y P es el costo de oportunidad del alcohol (variable,

dependiendo del precio de la gasolina); estos datos son importantes ya que dictarán la

viabilidad del proyecto por parte del uso de la papa como materia prima. Hay que tener en

cuenta otra relación, la producción de panela en Colombia, la cual es de:

Eq. 4

Donde 1.11 es la relación entre Kg de azúcar por Kg de panela y m, P son las

contribuciones en materia prima para alcohol y panela, y los precios para el alcohol y la panela

respectivamente (IICA, 1984).

Otro recurso para la producción de bioetanol es la celulosa, el cual es un polímero de

unidades de glucosa, que tiene una rigidez que implica un proceso más en comparación con el

almidón y otro más respecto a la caña. La celulosa es encontrada en cualquier material sólidos

biodegradable que tiene resistencia a la ruptura (Lignina), como desechos en las cascaras de


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frutas y verduras, madera, pasto, entre otros. Este fue un recurso que se uso durante la

segunda guerra mundial, sin embargo se detuvo debido al monopolio del petróleo. Actualmente

se ha logrado aproximadamente un rendimiento del 2.5Kg celulosa/Lt alcohol, tiene mayor

eficiencia que la melaza y la caña. El problema implica que la celulosa (50%) viene

acompañada de lignina (25%) y hemicelulosa (25%), lo cual hace complicado el proceso

porque la ruptura de estos polímeros es complicada y se necesita de grandes cantidades de

energía y ácido para lograr la hidrólisis, sin embargo este puede generar un resultado de 5Kg

celulosa/Lt alcohol, rendimiento bajo comparado con otros procesos (Navarro 1, 1986).

El problema esencial de este producto es la ruptura del polímero para obtener los

carbohidratos monoméricos, implica el uso de hidrólisis enzimática con un rendimiento del 99%

pero con un tiempo alto de degradación; sin embargo es muy útil ya que se tiene alta

producción de etanol (3 a 4 veces la producción actual de petróleo), en el cual se usan

materiales como el bagazo de la caña, la cascarilla de algodón, las tusas de maíz, la cáscara

de maní, los tallos del maíz, la paja de los cereales, la cascarilla de arroz, la cáscara de coco

entre otros, haciendo de esta, una materia prima con alta rentabilidad por ser subproductos o

desechos de otros procesos y que pueden dar un alto uso a bajo costo y con una baja

disposición de terreno su obtención. El problema radica en que actualmente el desarrollo del

mismo es bajo y por ende no se encuentra explotado (Bourne, 2007).

La tercera materia prima, fuente del proyecto realizado, es el almidón. Este material se

encuentra en tubérculos y materiales céreos como la papa, yuca y maíz. El almidón es un

monómero compuesto de unidades de glucosa de menor tamaño que la celulosa, esta necesita

de un proceso adicional para hidrolizar estos enlaces y poder generar los residuos o

monómeros simples como la glucosa y azúcares reductores (Objetivo del Proyecto), con el fin

de llevar a cabo la fermentación de una manera eficiente. Como se mostró anteriormente, el

mismo análisis hecho para la caña, es posible hacerse para la papa, la cual tiene una variación

del 18 al 25% de almidón, una contribución rentable del 15 %, un costo de operación del 60% y

una eficiencia del 90% por el proceso de sacarificación actual (parte del desarrollo de este

proyecto). A continuación se muestran las propiedades de esta materia prima y el proceso que

debe hacerse para poder hacerla útil en el proceso de bioetanol (Culzat, 2005).

Eq.5

Eq. 6

Eq.7

ii. Caracterización de la Harina de Papa La base del almidón puede obtenerse de varios productos como los cereales, el maíz,

la yuca o la papa, el proyecto se fundamenta en el uso de la papa como materia prima para la

producción de bioetanol debido a que es un mercado que actualmente se encuentra en


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decaimiento y por ende no está generando los resultados esperados, con un posible auge

debido al terreno y las condiciones disponibles en Colombia, es una buena herramienta para

este proceso (Redepapa, 2005). Sin embargo se está trabajando actualmente en la producción

del bioetanol a partir de yuca como se enunció anteriormente, con la posibilidad de combinar

las materias primas almidonadas y generar un resultado similar.

La papa es un “tubérculo harinoso comestible producido por ciertas plantas de un

género de la familia de las Solanáceas. La patata blanca común es un alimento básico en casi

todos los países templados del mundo. La planta se cultiva como herbácea anual. El tallo crece

hasta casi 1 m de altura, erguido o tendido, con hojas acuminadas y flores de color entre

blanco y púrpura. El fruto es una baya con numerosas semillas, de tamaño parecido al de la

cereza. Igual que los tallos y las hojas, el fruto contiene cantidades sustanciales de solanina, un

alcaloide tóxico característico del género. En el cultivo normal, la papa se multiplica plantando

tubérculos o rebanadas de tubérculos con ojos, que son yemas sin desarrollar. Las variedades

nuevas se obtienen de las semillas producidas mediante polinización controlada. Las

variedades mejoradas se multiplican con velocidad mediante esquejes de los brotes. Los

tubérculos de carne ligera y suave prefieren los suelos francos, arenosos y ricos; los suelos

húmedos y pesados dan lugar a tubérculos de carne más firme” (Redepapa, 2005). La papa

recién recolectada contiene un 78% de agua, un 18% de almidón, un 2,2% de proteínas, un 1%

de cenizas (elementos inorgánicos) y un 0,1% de grasas. Casi el 75% del peso seco son

hidratos de carbono. Gracias a su contenido de almidón, la papa es una fuente importante en la

fabricación de adhesivos y alcohol (Redepapa, 2005).

Mediante un proceso de secado y molido, la harina es una sustancia pulverulenta que

se obtiene tras moler de forma muy fina la papa seca. La harina contiene entre un 65 y un 70%

de almidón, pero su valor nutritivo fundamental está en su contenido, de un 9 a un 14%, de

proteínas; las principales son la gliadina y la glutenina, que constituyen aproximadamente un

80% del contenido en gluten. La celulosa, los lípidos y el azúcar representan menos de un 4

por ciento. Lo que implica que con esta concentración, se es posible obtener mayor cantidad de

etanol por unidad de harina que por unidad de papa, además de lo que implica el

almacenamiento de la misma, razón fundamental para preparar la muestra como harina al

momento de hacer la hidrólisis (Navarro, 1986).

El proceso de producción industrial de la harina comienza con la limpieza de la papa y

la preparación para el secado, para esto se usa un tambor con agua fuerza centrífuga, que

permite limpiar la papa de las impurezas como tierra e insectos. A continuación se transporta la

papa con cascara posiblemente (a estudiar durante el proyecto) para un corte en rodajas que

permitirá incrementar el área superficial de la papa, cortando posiblemente las cadenas de

almidón a polímeros de menor longitud, es de gran importancia introducir este material al

secado inmediatamente ya que se puede generar pardeamiento enzimático y ataque bacterial,

produciendo un cambio en las propiedades de la papa. Luego de esto, la papa se dirige a la

reducción de la humedad, un secador de bandejas tipo Batch, en el que entran las rodajas y se

acomodan uniformemente sobre la bandeja de acero inoxidable con agujeros, para permitir el


15

flujo continuo de aire por todo el secador, aquí el aire entrará bajo unas condiciones de

temperatura y velocidad controladas y de humedad dependiente del medio (resistencia y

compresor), el aire entra en el secador con flujo turbulento sobre las bandejas, lo cual ayuda a

remover la humedad de las papas. Existen otros tipos de secado, pero este es el más usado

por la industria por su eficacia y sencillez (Geankoplis, 1998) Por las propiedades higroscópicas

de la harina, se debe enviar la papa inmediatamente a la molienda, debido a que la harina y el

almidón son materiales higroscópicos y tienden a absorber la humedad del medio rápidamente.

La molienda se realiza con un molino de rodillo. Estos son rodillos acanalados que

reducen de forma progresiva la papa seca a polvo, se usan varias fases para poder obtener un

producto equitativo, teniendo en cuenta que la eficiencia de un molino es de 40%

aproximadamente. Entre fase y fase de la molienda, y tras la fase final, el producto molido se

lleva a un tamiz. El mecanismo es usar una serie de cribas dispuestas una sobre otra, esto

ayuda a obtener una mayor concentración de almidón en la harina (aprox 90%) y hacer el

rendimiento mayor al momento de la sacarificación. Las calidades de la harina obtenida en las

sucesivas fases de la molienda varían mucho, y se basan en el porcentaje de extracción, esto

es, la cantidad obtenida de harina por cada 100 kg de materia. Cuanto mayor sea la tasa de

extracción, más oscura será la harina. En la parte alimenticia, se acostumbra a enriquecer la

harina con el fin de cumplir algunas normas, en este caso no es necesario porque no se utiliza

para alimentación. El color amarillento de la harina sin blanquear se debe a la presencia de

pequeñas cantidades de un pigmento llamado caroteno, a partir del cual se sintetiza la vitamina

A (Aristizabal et al., 2007). Las características generales de la papa, como el peso por

unidad de volumen, el tamaño, la uniformidad y el tiempo de maduración, afectan a la calidad

de la harina obtenida. Es por esto que se debe medir el valor de la harina es el estudio de las

propiedades más específicas, como el contenido en humedad, la acidez, el contenido en

proteínas, la capacidad de absorción de agua, el grado de granulación, el color, el contenido en

grasas y la capacidad expansiva del gluten. El almidón es difícilmente soluble en agua fría y en

alcohol, pero en agua hirviendo provoca una suspensión coloidal que al enfriarse se vuelve

gelatinosa. El agua caliente actúa lentamente sobre el almidón originando moléculas más

pequeñas llamadas dextrinas. Esta reacción es un ejemplo de hidrólisis catalizada por ácidos y

algunas enzimas. Las dextrinas, como el almidón, reaccionan con el agua formando moléculas

aún más simples, para finalmente obtener maltosa, C12H22O11, un disacárido, y glucosa,

C6H12O6, un monosacárido (IICA, 1984).

La papa en Colombia presenta un contenido en materia seca que oscila entre 13% y

35% se ha observado que este se ve influenciado por factores climáticos, tipo de suelo,

fertilización, riego, temperaturas diurnas y nocturnas, estado de maduración, etc. La influencia

del almidón en la calidad del producto apenas se está conociendo, presentándose discusiones

si la calidad y su contenido en el tubérculo influyen en la textura de los productos elaborados.

Se puede entonces mediante la teoría y por los resultados obtenidos de la experimentación,

que la papa con menor tiempo de maduración, luego de un umbral aproximado de 5 meses, se

obtiene una concentración mayor de almidón, luego de esto la papa comienza a degradar el


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almidón en azucares y por medio de la hidrólisis genera agua, el cual tiene el problema de

aumentar el tiempo de residencia en el secado (Aristizabal et al., 2007). Algunos tipos de papa

que hay en Colombia son la Ica Única, utilizada principalmente para la elaboración de papa a la

francesa en razón del buen tamaño que alcanza y de su alto nivel de contenido de materia

seca que en promedio posee (19%). No obstante el contenido de azucares no reductores es

bastante variable (de 0.12 a 2.8%). La Diacol Monserrate considerada como la variedad de

mayor aptitud para el uso industrial por poseer un elevado nivel de contenido de materia seca

(alrededor del 23%). En Colombia, el área sembrada de papa es de 162.000 hectáreas, se

tiene una producción de papa de 2.787.061 toneladas. El consumo doméstico es de 2.766.188

toneladas (Redepapa, 2005).

Tabla 1. Exportación e importación de papa en Colombia, fuente MADR

iii. Licuefacción y Sacarificación

Luego de empacar la harina en un empaque que inhiba la oxidación y daño del almidón

por la propiedad higroscópica de la misma, viene el proceso de hidrólisis (Objetivo del

Proyecto), el cual se divide en dos secciones, la licuefacción y la sacarificación, este proceso

es aplicado para la industria. En el proceso de licuefacción, la harina es puesta en tanques o

autoclaves, en el que se liberan los gránulos de almidón ligados a los compuestos

lignocelulósicos por medio de cocción, para facilitar la reacción entre los agentes

sacarificadores y el almidón. Gracias al calor, el gránulo de almidón se hincha y absorbe agua,

el cual tiene una función de plastificante, ocasionando la ruptura de la pared celular y

gelatinizándose.

El almidón es un biopolímero natural compuesto de 2 tipos de compuestos, la amilosa y

la amilopectina, la primera es la parte lineal del almidón, es la cadena más corta, y es

característica de la papa, yuca y otros tubérculos, mientras que la amilopectina es la parte

ramificada y de mayor longitud dentro del polímero, tiene 6 ramificaciones en promedio por

molécula polimérica. La gelatinización es un cambio químico, en el que la molécula polimérica,

con el incremento de calor, disuelve la amilosa por su carácter lineal y polar, luego desdobla

una parte de la amilopectina y se introduce dentro de los intersticios de la molécula (red

amorfa), para hinchar o incrementar el volumen del gránulo y de esta manera generar el gel.

Varias características de la papa son importantes al momento de llevar a cabo la gelatinización,

esta al ser rica en amilosa, necesita de menor temperatura para disolver esta molécula y

comenzar con la gelatinización, además que los gránulos de almidón son de mayor tamaño


17

comparados con el maíz y otras materias primas ricas en almidón, por lo que necesita menor

cantidad de energía para lograr la gelatinización. Existe otro proceso denominado gelificación,

en el que se adiciona un solvente o compuesto a una solución de proteínas o pectinas, para

lograr su hinchamiento, de aquí que el proceso trabajado sea la gelatinización o gelación.

Es importante entender el proceso de gelatinización porque este paso es primordial

para activar la enzima y comenzar la hidrólisis del almidón. Luego de lograr esto, se adiciona la

enzima α-amilasa, quien se encarga de generar cortes de la cadena en la parte interior de la

molécula en los enlaces α-1,4 exclusivos de la parte lineal del polímero, a esto se le denomina

endoenzima.

Como se nombró anteriormente, la primera operación en la cocción es la

prelicuefacción, en donde se realiza la mezcla de harina, agua y enzimas (α-amilasas),

obteniéndose una pasta húmeda y viscosa, con un 20-40% en peso de sólidos (harina). A

manera industrial, el agua añadida es, por lo general, una mezcla de agua pura con aguas

recicladas del proceso, cuyo porcentaje suele encontrarse entre 20-40% de este tipo. Las α-

amilasas agregadas en esta operación logran transformar una parte de las cadenas de almidón

en dextrinas, las cuales varían su longitud de cadena. Varias destilerías emplean α-amilasa

obtenidas de Bacillus licheniformis, debido a su resistencia a las altas temperaturas (Talamond

et al., 2006).

La segunda operación es la cocción final. La pasta húmeda del premezclado se

introduce en un equipo de cocción, donde se somete a altas temperaturas (180ºC), con el fin de

romper y solubilizar los gránulos de almidón, condición necesaria para el tratamiento

enzimático posterior. La gelatinización ocurrida en este proceso aumenta la viscosidad de la

pasta.

La tercera etapa es la licuefacción, en donde se reduce la temperatura de la pasta

(hasta 90ºC) y se disminuye su viscosidad al agregarse nuevamente α-amilasas, obteniéndose

una mezcla de dextrinas y pequeñas cantidades de glucosa (Ronghou et al, 2005).

El tiempo de reacción aproximado es de 150 minutos, cantidad suficiente para generar

dextrinas o almidón de cadena corta con extremo reductor, glucosa, maltosa y otro tipo de

azucares de mayor simpleza y que pueden ser asimilados en el proceso de fermentación. Al

final del proceso, la masa se licua por acción del calor y del fraccionamiento de la α-amilasa

adicionada. Este equipo es un recipiente con agitación y con entradas de vapor a alta presión y

tiempo corto, una temperatura habitual es de 75°C (Brandama et al, 2002).

A continuación se introduce el agente sacarificador, este puede ser ácido sulfúrico o

clorhídrico, pero tiene el problema de que da un bajo rendimiento con el alcohol porque

degrada los azucares e inhibe la acción de la levadura, y también por manejo, seguridad y

control de los equipos, es por esto que se prefiere usar un proceso biológico, donde se usan

enzimas amilolíticas como la malta, el salvado de trigo o arroz germinado. Normalmente se

puede usar el primero, pero tiene la menor eficiencia y disponibilidad en nuestro país, aunque

sea de origen vegetal. La sacarificación viene dada por el desdoblamiento del almidón

gelatinizado, en el cual la hidrólisis de los enlaces α1-4 (unen las cadenas largas de glucosa), y


18

los enlaces α1-6 (ramificaciones, amilopectina) es generado por la acción de las enzimas α-

glucosidasa y β-amilasa o maltasa. Con la acción del calor en el paso anterior la α-amilasa, que

rompe los enlaces α1-4 al azar, generando las dextrinas, esto reduce la viscosidad de la pasta

de almidón, y ayuda en la acción de las otras enzimas. La β-amilasa cumple la misma función y

por lo mismo da un rendimiento del 85%, mientras que la β-amilasa-glucosidasa ataca los

enlaces β-amilasa1-6 en la maltosa, en las dextrinas generando la glucosa. Hay otro tipo de

enzimas microbianas como la β-amilasa bacteriana termoestable, amiloglicosidasa fúngica o

Glucoamilasa, que cumplen la misma función de un agente licuante y agente sacarificante, el

problema es que tiende a ser inestable a bajos pH y a temperaturas muy elevadas (Brandam et

al., 2002).

La Glucoamilasa, usada en este proyecto, es una exoenzima, es decir que actúa sobre

los enlaces α-1,4 y α-1,6, por lo que funciona como un agente hidrolizante de mayor confianza

para el corte sobre las ramificaciones, pero tiene una menor probabilidad de reacción por solo

reaccionar en extremos reductores, es por esto que su tiempo de residencia es mayor,

aproximadamente 8 horas.

La reacción necesita de un control de temperatura y pH más estricto, para esto se

dispone de un tanque con agitación y sistema de enfriamiento y calentamiento; la cantidad

usada de enzima depende de la calidad del almidón y del pH, temperatura, y la relación

sustrato-solución. Las condiciones de calentamiento están entre 30-60°C después de la

cocción, primero se deja a 60°C para adicionar la amiloglicosidasa y se corrige el pH con ácido

sulfúrico, luego de 8 horas se enfría a 30°C y se lleva a fermentación. Específicamente, se es

posible, que mediante la acción de la diastasa, la cimasa y la invertasa, el almidón se

descomponga en azúcares complejos, luego en azúcares simples y finalmente en alcohol. La

enzima de la levadura, la cimasa, transforma el azúcar simple en dióxido de carbono (Ronghou

et al, 2007). Esta operación se puede realizar a 60-70ºC, y puede darse en un tanque separado

o en el mismo recipiente donde se va a realizar la fermentación; este último proceso se conoce

como sacarificación y fermentación simultáneas.

La relación para la obtención de los azucares simples viene dada por la siguiente

hidrólisis, generando una relación de 1.11 Kg glucosa/Kg almidón, y por las relaciones

anteriormente mostradas, se llega a 1.54Kg almidón/Lt alcohol:

Eq. 8 Licuefacción

Eq. 9 Sacarificación

iv. Fermentación

Luego de la sacarificación, viene el proceso de fermentación, en el cual se transforma el

azúcar simple en alcohol. Desde la antigüedad se obtiene el etanol por fermentación

anaeróbica de azúcares con levadura en solución acuosa y posterior destilación. La aplicación

principal tradicional ha sido la producción de bebidas alcohólicas. Hoy día se utilizan tres tipos


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de materias primas para la producción a gran escala de etanol de origen biológico (bioetanol)

(Virtual Pro, 2007):

• Sustancias con alto contenido de sacarosa

o caña de azúcar

o remolacha

o melazas

o sorgo dulce

• Sustancias con alto contenido de almidón

o Maíz

o Papa

o Yuca

• Sustancias con alto contenido de celulosa

o Madera

o residuos agrícolas

La fermentación alcohólica comprende una serie de reacciones bioquímicas en las que

algunos microorganismos, por medio de un conjunto de enzimas producidas por ellos (o

añadidas artificialmente), realizan una transformación de azúcares para convertirlos en etanol,

dióxido de carbono y energía expresada en temperatura como reacción exotérmica. La

reacción global general que resume todo el proceso cuando se fermentan hexosas es:

Eq.10

Normalmente los microorganismos más empleados en la obtención de bioetanol son

las levaduras, aunque existen varios tipos de bacterias y hongos que también son capaces de

sintetizarlo en cantidades considerables. La fermentación alcohólica se realiza en ausencia de

oxígeno, excepto durante el tiempo de inoculación, durante el cual se permite el paso de una

pequeña cantidad para permitir un crecimiento limitado de los microorganismos (Virtual Pro,

2007). En el caso de las levaduras, cuando éstas toman el azúcar del medio, se inicia toda una

serie de reacciones intermedias, conocidas como la ruta glicolítica o ruta Embden-Meyerhof. A

través de este proceso bioquímico, las levaduras rompen los azúcares en energía,

intermediarios útiles para el crecimiento de las células, y una gran cantidad de productos

finales (etanol, dióxido de carbono y calor), los cuales son expulsados por las levaduras

(Ronchou et al, 2007).

Las fermentaciones alcohólicas a escala industrial necesitan de ciertas condiciones

especiales de manejo para que se lleven a cabo correctamente. Como la disipación del calor,

se ha observado que las fermentaciones alcohólicas generan alrededor de 17000 BTU por

cada 50 lb de etanol producido, aproximadamente entre la hora 10 y la hora 30 de fermentación

(Najafpour et al, 2003). Para ello, es necesario diseñar un sistema de enfriamiento que disipe

ese calor generado, para evitar un sobrecalentamiento del fermentador. También se debe dar

un correcto manejo de la temperatura de fermentación, que al ser exotérmica, como se observa


20

en el punto anterior, provoca un aumento en la temperatura del sistema. En el caso de las

levaduras, la temperatura óptima de fermentación es de 32ºC, y su temperatura óptima de

reproducción es de 28ºC. Si no se tiene un adecuado sistema de enfriamiento, el aumento de la

temperatura causa inhibición en el proceso de fermentación, ya que estos microorganismos no

toleran temperaturas altas. Con los microorganismos y las enzimas se ha observado que al

trabajar a temperaturas por encima de la temperatura óptima la reacción comienza más rápido,

pero asimismo disminuyen prematuramente, no llegando a completarse o tomando demasiado

tiempo para ello, además estos incrementos favorecen el crecimiento de Lactobacillus, bacteria

que compite con las levaduras por la glucosa. La forma más efectiva de prevenir y controlar la

contaminación, como la anterior, es agregar algún antibiótico basado en penicilina, dada su

estabilidad en las condiciones de pH y temperatura en las fermentaciones, así como su

economía. Otro parámetro a controlar son los altos niveles de etanol en el medio, ya que

pueden provocar inhibición de la fermentación. El etanol restringe el crecimiento de la levadura

y la producción de alcohol en forma no competitiva, y concentraciones por encima de 110 g/L

los detienen totalmente (Najafpour et al, 2003). Es preciso también que haya concentraciones

de azúcares iniciales apropiadas para que los microorganismos funciones adecuadamente.

Estas concentraciones suelen ser satisfactorias entre 10% y 18% con el fin de generar una

concentración de etanol entre 6-9%. Si las concentraciones de sustrato son muy altas, se

presentan problemas de respiración en microorganismos como las levaduras, y la presión

osmótica sobre sus paredes celulares es muy grande, disminuyendo su eficiencia en la

fermentación. Si las concentraciones son muy bajas, la fermentación resulta antieconómica, por

requerir mayores volúmenes. (Virtual Pro, 2007)

El control del pH y la acidez es muy importante en las fermentaciones alcohólicas, tanto

para obtener una actividad enzimática óptima como para el control del crecimiento de

microorganismos contaminantes. La levadura trabaja con un pH ácido, alrededor entre 4.4 y

5.0. Los pH muy altos favorecen el crecimiento de bacterias acidolácticas, y pH demasiado

bajos inhiben el crecimiento de las levaduras. (Ronghou et al. 2007). Existen otro tipo de

microorganismos que pueden desarrollar este proceso como las Zymmomonas Mobilis que

permiten en una relación baja, una conversión mayor a etanol, sin embargo la contaminación

es más difícil de controlar. Por otra parte, la aeración es importante para mantener el inóculo

vivo y permitir la reproducción celular de manera satisfactoria. El proceso industrial comienza

con la preparación del inóculo, el cual se debe multiplicar, normalmente se usa la levadura

Saccharomyces Cerevisiae, se debe preparar la muestra, tomando el cultivo de levadura y

preparándolo con una cierta concentración de sales. Luego de activarlo, o colocarlo a 28°C por

1 día, se multiplica en frascos que contienen el mosto. El mosto que se está transformando

tiene una concentración aproximada de 15 a 18% de azúcar, en este momento se agregan

nutrientes como sales de nitrógeno y fósforo para mantener la eficiencia, manteniendo el pH

entre 4 y 5. La fermentación es un proceso exotérmico, por lo que requiere mantener la

temperatura alrededor de 30°C, esto implica que necesita un equipo de enfriamiento, para


21

evitar pérdidas de alcohol. El tiempo de fermentación fluctúa entre 36 y 48 horas, aunque con

condiciones especiales, se puede lograr reducir este tiempo a 12 horas.

Generalmente se usa un prefermentador, para controlar el crecimiento de la levadura,

se usa por 17 minutos a las mismas condiciones pero con aeración. El líquido fermentado, que

contiene de un 7 a un 12% de etanol y el resto es sólido o residuos del almidón, por lo que se

utiliza normalmente un proceso de tamizado, en el cual se eliminan las partículas sólidas que

perjudicarían la destilación. Luego se centrifuga el material para recuperar el fermento, luego

se lava centrifuga y deshidrata para reusarlo. Hay que tener cuidado porque el riesgo de

contaminación por bacterias acidolácticas es alto, generando otros compuestos y

complicaciones al momento de separarlos en la destilación (Ghasem et al, 2003).

vi. Destilación y Deshidratación Luego del proceso de fermentación, es necesario aplicar métodos de separación para

obtener el etanol. La operación más común y ampliamente utilizada para obtener etanol a altas

concentraciones es la destilación. Sin embargo, para obtener alcohol carburante anhídrido, es

necesario emplear procesos posteriores de deshidratación, ya que los requerimientos

funcionales de los motores exigen que el etanol se encuentre totalmente libre de agua,

además, la formación del azeótropo en la mezcla etanol-agua impide que la destilación

convencional realice una separación completa.

En la industria se utilizan sistemas de destilación multi-etapa, continuos, en

contracorriente y de contacto vapor-líquido. Al obtener la cantidad de etanol producida por la

fermentación, la solución resultante se destila en dos etapas. En ambas se utiliza vapor como

medio de calentamiento, sin embargo, como una integración energética y como un balance

positivo de energía, es posible usar la energía de otras partes del proceso. El líquido

proveniente de la fermentación se alimenta en la primera columna de destilación, dividiéndola

en dos secciones: la sección de agotamiento y la sección de rectificación. El líquido desciende

gradualmente por la sección de agotamiento. Al mismo tiempo, se genera vapor desde el fondo

de la columna, el cual va extrayendo sucesivamente etanol del líquido descendente,

enriqueciéndose con alcohol paulatinamente a medida que asciende por la columna.

Finalmente, la mezcla rica en etanol se condensa y se divide en dos corrientes: el producto de

cabeza y el reflujo; este último se devuelve a la cima de la columna, para suministrar el líquido

requerido en la sección de rectificación.

El número recomendado de platos para la separación agua etanol es de 60 platos

separados distancias que van desde los 600 mm a los 500 mm (Virtual Pro, 2007). La primera

etapa es en una columna de destilación y una columna destrozadora que produce vapores de

alcohol con un contenido del 45% de alcohol y el las vinazas que serán objeto de proceso de

obtención del pienso como alimento para animales posiblemente. La columna de destilación

tiene 22 platos separados a una distancia de 600 mm. A esta columna es a la que entra el flujo

del mosto obtenido proveniente de la fermentación. Los flujos de salida son el mosto con un

grado de alcohol de 25% que se recirculará como reflujo, las vinazas en el rechazo, parte del


22

condensado aportado por el rehervidor (Navarro 1, 1986). Los vapores contienen

aproximadamente 95-96% de bioetanol, los cuales se destilan de nuevo y se introducen en el

tamiz molecular o se adiciona un tercer compuesto en la destilación para desplazar el

azeótropo formado.

Una de las técnicas para desplazar el azeótropo es la destilación extractiva en la que

se adiciona un agente de separación o solvente cuya característica principal es que no

presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la mezcla a separar.

Asimismo, el solvente tiene un punto de ebullición alto y generalmente no es volátil. Un aspecto

fundamental en la destilación extractiva es la elección del solvente. Entre los aspectos que hay

que tener en cuenta se incluyen su capacidad para alterar de forma significativa las

volatilidades relativas de los componentes a separar, su economía, debe tener facilidad para

separarse de los fondos de la columna, no debe reaccionar químicamente con los productos de

la mezcla, no debe causar corrosión en los equipos, entre otros. Algunos solventes usados

para esto son los glicoles, aminas, fenoles hidrofóbicos, parafinas, tiofenos, glicerol, entre

otros.

Otro tipo de destilación es la azeotrópica en la que se es alimentada con una corriente

de etanol al 95%, cerca del punto medio. En la zona de rectificación de la columna se añade un

agente de arrastre (benceno, hexano, ciclohexano, tolueno, n-pentano). En los fondos sale

etanol prácticamente puro (99.98% vol.), que contiene menos de 200 mg/kg de agua y menos

de 20 mg/kg de otras impurezas. El agua se remueve del etanol en forma de un azeótropo

terciario que sale como producto de cabeza, el cual se condensa y lleva a un separador en

donde la fracción rica en agua se alimenta a una pequeña columna de lavado para la

regeneración del arrastrador, mientras la otra fracción se recircula como reflujo a la parte

superior de la columna azeotrópica (Sánchez et al, 2005).

Una gran desventaja de los métodos que involucran destilación son sus altos costos

energéticos. La destilación representa cerca del 70-85% de la energía utilizada en la

producción de etanol. Esto ha motivado la consideración de tecnologías alternativas que

reduzcan la cantidad de energía necesaria para llevar a cabo la separación de etanol

azeotrópico.

La separación por tamices moleculares es hecha en una cama de zeolitas con tamaño

regular similar a alguno de los compuestos a separar, en este caso se usa normalmente agua.

En el lecho de zeolita, ella es configurada para que su funcionamiento sea muy absorbente

capaz de retener el agua de los vapores alcohólicos elevando la concentración a más del

99,75%. Una columna trabaja en modo deshidratación mientras la otra regenera. La

regeneración del lecho se efectúa por inmersión en alcohol deshidratado, obteniéndose una

solución alcohólica de 60ºC de concentración que se envía a la columna rectificadora. (Virtual

Pro, 2007).

vii. Otras Consideraciones Luego de obtener el etanol deshidratado, y con las eficiencias mostradas

anteriormente, 1.54 Kg de almidón/Lt alcohol para el caso de la papa, bajo el proceso de


23

producción de harina en la que se tiene perdidas bajas porque todo se recircula y no se

desechan subproductos; la sacarificación en la cual se tiene una eficiencia del 85%, un

fermentador con una eficiencia alta pero que depende del grado de hidrólisis de los azucares, y

un destilador que permite obtener esta cantidad de alcohol constantemente, se pueden

observar algunas consideraciones importantes.

Una de ellas es el balance energético, en el caso de la caña de azúcar, mediante un

proceso en el que se observa el uso del bagazo como combustible y la capacidad calorífica del

azúcar para la obtención del alcohol, se observan puntos como la producción de vapor en la

caldera, el funcionamiento de los turbogeneradores, la producción de los jugos, la fermentación

y la destilación, cada una con su eficiencia, generan un exceso de energía del 8%

aproximadamente, por lo que tiene un balance positivo. En el caso de la papa, el balance de

energía esta en el punto de equilibrio debido a que la papa no genera bagazo para la

combustión y la generación de calor para el vapor, esto no implica que el proyecto no sea

viable, lo que implica es que se debe buscar una fuente alterna de energía para el

funcionamiento de la planta, como lo puede ser el etanol final, ya de esta manera se genera un

balance positivo (CIAT, 1980).

Las ventajas de usar la papa como materia prima para la producción de bioetanol son

varias, una de ellas es que la papa es un cultivo constante en todo el año, no necesita grandes

cantidades de agua y resiste variaciones de clima fuertes, como no lo es la caña, ya que esta

se da por 180 días al año, implicando un sistema para conservar la melaza y los jugos como la

concentración, lo que conlleva a un costo más. Por otra parte el terreno de la papa no es

competitivo, es decir que solo es funcional con la papa, la caña compite con otros productos

frutales debido al clima y las condiciones que maneja. Debido a la reacción manejada en el

punto de sacarificación y fermentación, se puede observar que con la mayor generación de

agua, hay una diferencia de producción de etanol del 6% por lo que se genera mayor cantidad

de etanol con papa que con caña (IICA, 1984).

Por parte del motor, se puede observar que las modificaciones hechas a un automóvil

(principal consumidor de bioetanol) son pocas, solo se necesitan modificar las partes de goma

y plásticas, ya que con la acción corrosiva del etanol y el tiempo y esfuerzo al que se coloca el

motor, necesita de nuevas piezas que sean resistentes; también se debe modificar la

compresión y la relación de combustión en el motor, ya que el etanol genera un octanaje

mayor, y para su mayor provecho se debe hacer este cambio (Bourne, 2007).

c. Legislación

Debido a la crisis de los hidrocarburos basados en recursos no renovables como los

combustibles fósiles, Colombia está abocada a un desabastecimiento de petróleo en dos años.

Las consecuencias de orden fiscal causara pobreza y dificultades al Estado, porque los

escasos recursos que tenga, los deberá direccionar a la compra en el exterior de los

hidrocarburos que el país necesita para mantener, el nivel de desarrollo actual. Los aumentos

de precios de los combustibles empobrecerán al consumidor y frenarán el desarrollo. Con el


24

empleo de combustibles alternativos ayudará a detener las consecuencias de la pérdida de la

autosuficiencia petrolera, Por esa razón, la entrada al mercado nacional del bioetanol con

origen en la biomasa no solo es deseable sino necesaria. Generar empleo rural, una de las

razones para que se aprobara la ley del alcohol carburante o Ley 693 de 2001, con la

necesidad de crear empleo y desarrollar las áreas rurales. Se estima que para producir

bioetanol para suplir el 10% de la mezcla que la reglamentación dispuso, será necesario crear

cerca de 170 mil nuevos empleos, que estarán distribuidos en casi todas las regiones de

Colombia. Entre empleos directos e indirectos, se pueden agrupar alrededor de 250 mil

personas.

La ley anteriormente nombrada, dispone el uso de etanol mezclado con la gasolina

corriente a partir del mes de septiembre del año 2005. El Gobierno Nacional reglamentó la ley y

dispuso que, en un principio, se agregue a la gasolina un 10 por ciento en volumen de alcohol

etanol con origen en la biomasa, es decir, producido de materias primas vegetales. El Gobierno

Nacional, consciente ".de la necesidad de introducir estímulos tributarios para el desarrollo y

dinamismo del proyecto en mención, en la última reforma tributaria, Ley 788 de 2002, introdujo

las exenciones de IVA, Impuesto Global y Sobretasa al componente alcohol de los

combustibles oxigenados ", , el Gobierno Nacional también hizo introducir las exenciones

arancelarias para la importación de los equipos necesarios para el montaje de refinerías de

alcohol, mejoramiento de los cultivos y de la infraestructura. Como complemento de lo anterior,

el Ministerio de Minas y Energía, expidió la resolución 180836 de julio 25 de 2003, para

establecer la estructura de los precios de la gasolina motor corriente oxigenada, asegurando la

estabilidad para los productores de alcohol combustible, dándole a la industria todo el marco

legal necesario para su conveniente desarrollo en todas las regiones colombianas.

De esta forma también se creó la Federación Nacional de Biocombustibles con el fin de

controlar y ayudar en la formación de estos complejos de destilación, es un foro abierto para

los interesados en la cadena de los combustibles con origen en la biomasa. Tienen cabida los

investigadores de todos los campos relacionados desde el agrícola hasta el de procesos, los

productores de alcohol, las empresas de transporte, los comercializadores mayoristas y

minoristas, los gremios y los miembros productores de las materias primas - caña de azúcar,

yuca, sorgo, maíz, remolacha, etc.- y de abonos, los paneleros, los azucareros, así como los

proveedores de equipos, constructores de plantas, suplidores de patentes y tecnologías, los

inversionistas, la banca de inversión, etc. Se constituyó la Federación para impulsar los

proyectos de biocombustibles, promover las inversiones, servir de puente entre los

inversionistas y los proyectos regionales, asesorar al Gobierno Nacional y a los gobiernos

locales. Colombia por sus condiciones y ubicación geográfica, deberá ser también un centro

importante de producción de biocombustibles con destino a los mercados internacionales. En la

mayoría de los nuevos proyectos a escala mundial, los estados están, apoyando las gestiones

de grupos y líderes de la empresa privada. En muchos casos se han establecido incentivos o

proporcionado esquemas con deducciones o rebaja de impuestos o entrada al país de equipos


25

sin aplicación de aranceles o gravámenes o aplicación de convenios o protocolos como el de

Kyoto.

La razón para este esfuerzo se compensará con creces en el largo plazo por la

sustitución de millones de barriles de gasolina al año, ya que un barril de etanol reemplaza un

barril de gasolina, con lo cual se liberan 2.5 barriles de crudo en los cargos de las refinerías. De

todas maneras deben de establecerse condiciones de desarrollo y compromisos de

abastecimiento para lograr que la producción de alcohol carburante supla en un alto porcentaje

las necesidades de cada país antes de entrar a exportar este producto.


26

4. METODOLOGIA El desarrollo de los objetivos planteados se hace mediante un proceso de 4 fases,

estableciendo el tiempo límite que presenta el proyecto para llegar al producto final. A

continuación se muestra la metodología desarrollada y el tiempo aproximado que requiere cada

paso.

La revisión bibliográfica es el primer paso para fundamentar los objetivos y limitar el

tema, observar las distintas posibilidades y variaciones del proyecto. De manera preliminar,

se puede observar el anexo 4, para darse una idea de cómo se realiza el proceso de obtención

de bioetanol, incluyendo cada uno de los pasos desarrollados en esta metodología.

a. Caracterización de la materia prima y producción de Harina En esta fase, se hace un estudio de las distintos tipos de papa que hay en Colombia,

las comerciales y en investigación, que pueden generar mayor eficiencia en la hidrólisis

(McWilliams, 2005). El primer paso realizado el de elegir el tipo de papa con el que se trabaja,

esta debe tener disponibilidad en el mercado y su producción debe ser tal, que haya forma de

hacer un escalamiento para saber que extensión y que parámetros se deben tener en cuenta al

momento de llevar el proyecto a la industria. A continuación, se desarrolla un procedimiento

para establecer estos parámetros y otros de importancia en la papa.

i. Humedad

Consiste en medir la humedad presente en la papa hasta lograr la humedad de

equilibrio que es aproximadamente 2,5% (Geankoplis, 1998). Este procedimiento se hace

lavando y pesando las papas cortadas y puestas en cápsulas de cerámica para conocer su

masa inicial, a continuación se introduce la muestra en el horno a 80°C por 20 horas, se mide

finalmente el peso y se obtiene la relación de humedad total (McWilliams, 2005).

ii. Cenizas

Con esto se busca medir el porcentaje de materia inorgánica contenida en la papa,

para ello se toma una muestra de papa cortada y lavada, al tomar su masa inicial, es llevada en

cápsula a un horno que se encuentra a 550°C por 30 minutos, se mide su masa final, la

muestra contiene calcio, fósforo, magnesio y otros compuestos que pueden influir en el proceso

enzimático (McWilliams, 2005).

iii. Contenido de Almidón La extracción de almidón se realiza con el pelado y rallado de la muestra obtenida,

quien es presionada sobre un tamiz de 100 µm y lavada con agua hasta observar que no hay

mas salida de lechada de la muestra, esta contiene el almidón soluble e insoluble. La muestra

de agua obtenida se deja decantar por 20 horas, la parte precipitada es extraída y puesta a

secar a no más de 65°C por 5 horas para inhibir la gelatinización. Finalmente se pesa la

muestra obtenida para conocer el contenido de almidón en la muestra (Aristizabal y Sánchez,

2007).


27

b. Producción de Harina Luego de conocer las propiedades principales de la materia prima, se obtiene la harina.

Para este proceso, se deben elegir papas del mismo tiempo de maduración y de tamaño

similar. Se mide su peso inicial después de lavadas y cortadas, son llevadas a unas bandejas

de acero inoxidable con agujeros, que permiten el flujo de aire en el secador. Luego de este

procedimiento, las muestras entran al secador, el cual tiene un compresor que genera

aproximadamente 29 km/hr de aire, luego del compresor este es calentado con unas

resistencias eléctricas, controlando su temperatura de manera automática mediante

termocuplas. El secador consta de entradas para medir las condiciones de entrada y salida del

aire, permitiendo conocer la absorción de humedad, el cambio de temperatura, el cambio de

masa de la muestra y tiene un control que ayuda a regular el tipo de flujo de aire.

Figura 1. Secador

A continuación la muestra es llevada a molienda, donde es reducido el tamaño de

partícula para poder seleccionar el almidón. Esta selección se hace por medio de tamices de

500 µm, que permite el paso del almidón en mayor proporción, logrando una concentración

aproximada del 90% (APPA & PWHC, 2005).

c. Gelatinización Luego de obtenida la harina, esta es empacada de tal manera que se inhiba la

oxidación por el aire o adsorción de humedad. La muestra es llevada a laboratorio donde se

mezcla con agua, se calienta y mantiene su agitación observando el cambio a medida que

incrementa el calor, la temperatura se mantiene en incremento hasta el punto en que se

dificulta la agitación, en este punto comienza la gelificación y se observa cómo cambia la forma

y estado de la muestra. Finalmente la muestra es analizada añadiéndole glucosa (5 gr.) y ácido

cítrico (30 ml), con el fin de observar que efecto tiene sobre ella este proceso (Mattisek, 1998).

Todas las pruebas anteriores, en las que se estudia las propiedades de la materia

prima y las condiciones a las que entrará al proceso, fueron realizadas según el cronograma

propuesto.


28

d. Estudio de las Enzimas Hidrolizantes

Luego de evaluada la materia prima, el proceso continua con el estudio y evaluación de

los factores que afectan a las enzimas α-amilasa y la glucoamilasa, ambas con la capacidad de

formar dextrinas y glucosa respectivamente, según la ficha técnica entregada por el proveedor

Coldaenzimas Ltda, proveedor de la multinacional Novazyme. La evaluación del

comportamiento para cada enzima inicia con la elección de las condiciones a las cuales se

estudiaran las enzimas, dependiendo de su ficha técnica y la relación que hay con otras

investigaciones ya realizadas para este tipo de proyectos. Se ha elegido estudiar el efecto del

pH en la enzima, ya que la acidez es otro medio para lograr la licuefacción del almidón como se

podrá observar en los resultados hechos de gelatinización, sin embargo este presenta el

problema de inhibir la reacción a futuro de fermentación, ya que reducirá la productividad de los

microorganismos para transformar la glucosa, y se generarán subproductos no deseados,

entrando en competencia con el bioetanol. El pH será variado en tres valores, 4, 5 y 6, valores

observados normalmente para la licuefacción y sacarificación de la yuca, la cual trabaja a pH 6

aproximadamente (Mancheno, 2006).

Otro parámetro a estudiar será el efecto de la temperatura sobre la enzima, este es otro

valor relevante en el proceso de hidrólisis, ya que es importante inicialmente controlar la

temperatura de tal manera que se logre la gelatinización inicialmente y luego se lleve a cabo la

licuefacción o sacarificación, esto es importante ya que el ordenamiento del polímero por la

gelatinización es el principal elemento estructural por el cual trabaja este tipo de enzimas. La

temperatura será variada a 50, 60 y 70 °C.

Para hacer de este proceso, una herramienta de comparación entre los 2 tipos de

enzima a estudiar, se llevará a cabo la experimentación bajo las mismas condiciones para la

glucoamilasa, controlando el pH y la temperatura de la misma forma que se hizo con la α-

amilasa (Lactobacillus Fermentum). La única variación será el tiempo de reacción, por las

condiciones y las características de cada enzima trabajada, para la α-amilasa, se tomarán 3

horas de reacción, mientras que para la glucoamilasa es necesario utilizar mínimo 5 horas para

encontrar el comportamiento y la actividad de la enzima proveniente del hongo Aspergillus

Niger (Talamond et. all, 2005).

El procedimiento experimental inicia con la preparación de la muestra, se hace una

mezcla de almidón agua de manera que se cumpla con la relación del 10% másico (Virtual Pro,

2007), en este caso se disuelven 50 gr de harina producida en la sección y se aforan a 500 ml

de agua destilada. El siguiente paso es el de utilizar temperatura y una agitación vigorosa y

continua, de tal manera que se logre una mezcla homogénea de la harina en el agua, y que se

lleve a cabo la gelatinización, para esto se utilizará una plancha de calentamiento con un

agitador magnético y su regulación para mantener este constante e incluyendo un termómetro

para controlar la temperatura.

El estudio inicia con el cambio de temperatura en las muestras inyectadas con α-

amilasa. Al lograr la gelatinización, se medirá el pH, y con H2SO4 1M, se reducirá el pH a 5,

según el rango dado por la hoja de seguridad de la enzima. Se calentará de nuevo la muestra


29

con agitación controlada hasta el punto que se desea estudiar, en el caso de 50 °C y 60 °C se

debe enfriar la muestra ya que la gelatinización tiene un punto cercano a 65 °C.

Con el pH controlado, se adiciona la enzima de tal manera que se cumpla con la

restricción 10 µl/gr de sustrato, es decir que se utilizan 0.5 ml de α-amilasa para la hidrólisis, en

este punto se inicia la reacción y se toma como tiempo 0 para la medición, el avance se hará

mediante muestras recolectadas cada 30 minutos usando una técnica de cuantificación

colorimétrica. La determinación de glucosa y azúcares reductores se hace con una titulación,

primero se realiza una filtración con gasa para eliminar todos los sólidos que no permitirán el

flujo normal de la solución, luego se lleva a cabo la preparación del reactivo a usar para la

determinación cuantitativa, la mezcla equitativa del reactivo Fehling A y B, diluido con agua.

Los reactivos anteriores están compuestos de sulfato cúprico (CuSO4), H2SO4, Tartrato de

Sodio y Potasio, diluidos en agua, generando una coloración azul celeste. La mezcla se hará

con 2 ml de cada reactivo (A y B) en 15 ml de agua, se llevarán a ebullición y manteniendo la

temperatura, se titulará con una pipeta de 10 ml o de menor tamaño a medida que avanza la

reacción, hasta cambiar la coloración de azul a rojo ladrillo, esto indica que los iones cúpricos

se han reducido a iones cuprosos monovalentes, este método es propuesto por Lane y Eynon

(UNEY, 2007).

El siguiente paso es la evaluación con cambio de pH para la α-amilasa, se realiza el

mismo procedimiento inicial hecho anteriormente para llevar a cabo la gelatinización, luego se

medirá y regulará el pH con H2SO4, hasta lograr el valor deseado, la temperatura para las tres

variaciones de pH es de 65 °C gracias a que esta es el punto máximo de gelatinización y

permite observar el cambio en la viscosidad con el tiempo. Con las variables estables, se

agrega la misma cantidad de α-amilasa que en el proceso anterior. El seguimiento de la

reacción se hará con el mismo procedimiento y la toma de datos también será cada 30

minutos.

La reacción con la glucoamilasa tiene el mismo fundamento en cuanto a la preparación

de la muestra, control del pH o temperatura en el caso pertinente, variando el valor de pH para

el estudio del impacto de la temperatura (50, 60 y 70°C) que será de 4.5 por indicaciones en las

propiedades de la enzima. Las variaciones de pH serán iguales (4, 5, 6). La reacción se llevará

a cabo en un tiempo de 5 horas, con toma de muestras cada hora, y realizando el mismo

procedimiento anterior para analizar el avance de la reacción.

Figura 2. Gelatinización y medición de avance de Reacción (Fehling)


30

De esta manera se estudian estos 3 factores, propuestos en los objetivos como

importantes al momento de desarrollar el proceso. Un factor relevante en el proceso es que se

mantiene la relación de enzima sustrato y por ende la concentración en la solución, con el fin

de obtener resultados confiables y comparables, este puede ser tema para enfocar en otro

proyecto o darle continuación al mismo (Jamai ea. 2007).

Una variación importante al proceso, es el de mezclar las 2 reacciones, comenzar con

una hidrólisis previa lograda por la α-amilasa y continuada por una sacarificación completa con

glucoamilasa. Esta prueba es llevada a cabo en el proceso para hacer una comparación en los

resultados obtenidos con la fermentación, experimento explicado en la siguiente sección

(Virtual Pro, 2007).

Existen otros tipos de técnicas para medir este tipo de avance de la reacción como la

cromatografía, sin embargo esta no se encuentra al alcance sencillo del proceso, también se

puede utilizar el espectrofotómetro, que mide el mismo tipo de resultado de azucares

reductores con una reacción redox, de manera más exacta.

La glucosa es obtenida a partir de las cadenas poliméricas del almidón, mediante una

reacción enzimática con α-amilasa y glucoamilasa, como se explicación en el proceso anterior.

e. Fermentación El siguiente proceso en la producción de bioetanol es la conversión de la glucosa a

este compuesto mediante un proceso de fermentación, en el que el mosto es llevado a

reactores que se mezclan con la levadura Saccharomyces Cerevisiae, quien da la conversión

de glucosa a etanol liberando CO2. Para este procedimiento, lo primero es filtrar la materia

gruesa decantada de la reacción anterior, para esto se utiliza un filtro de gasa, a continuación

se lleva la muestra a una centrífuga que trabaja a aproximadamente 3000 rpm, se deja 10

minutos y se separa la fase líquida de la sólida, paralelamente se inoculan los cultivos de

levadura, se coloca una muestra de 5 gr de glucosa, 0.5 gr del cultivo, 1.5 gr de fosfato ácido

de potasio y 2.25 gr de fosfato de sodio, diluyendo en un matraz a 500 ml, esta es llevada a

incubación a 28 °C por 24 horas. Luego de preparar el inóculo, se agrega esta al mosto de

manera proporcional (2 gr/Lts), con nutrientes como nitrato de amonio (2 gr/Lt), Sulfato de

Magnesio (1 gr/Lt) y Fosfato ácido de Potasio (1 gr/Lt), manteniendo el pH entre 4 y 5, y la

temperatura en 35°C, teniendo en cuenta que esta es una reacción exotérmica y el tiempo es

de aproximadamente 36-48 horas (Liu & Chen, 2007).


31

Figura 3. Rotavapor

La reacción se lleva a cabo en un rotavapor, quien tiene un baño termostatado

regulable y una agitación suficiente para lograr la reacción, además de que tiene las entradas

suficientes para permitir la cantidad suficiente de aire al balón, y permitir la salida de CO2 al

medio. El avance de la reacción es medido con un refractómetro, quien permite conocer de

manera aproximada los grados Brix y por ende cual es la cantidad de glucosa en la solución,

de aquí que se haga una prefiltración con una centrifugación. Luego de la reacción, se inactiva

la enzima con el cambio de temperatura y la exposición completa al medio, quien luego será

enviada a almacenamiento o a los trenes de separación en el caso de la industria.

Esta reacción se puede llevar en otro tipo de reactor, con un baño termostatado de

mayor adaptación sobre la reacción, y una agitación más apta, sin embargo los resultados se

siguen manteniendo en un rango similar.

f. Separación Luego de obtenida la reacción completa sigue el proceso con la separación del sólido

restante, quien contiene aún glucosa, levadura y otros sólidos. Esta es filtrada con

centrifugación para permitir solo el paso de la mezcla etanol agua, que será de

aproximadamente 12% (IICA, 1984). La siguiente parte a realizar es la destilación.

Al separar el sólido, la muestra continua hacia la destilación (Teórico), proceso en el que

se concentrará el etanol hasta un punto cercano al azeótropo, para este caso se espera una

concentración aproximada de 96% m/m, por lo que se necesitan de aproximadamente 2

destilaciones en una torre de destilación piloto con 16 platos de caperuza aproximadamente, un

reflujo de 3, una alimentación intermitente dependiente del flujo trabajado en el interior de la

columna, una potencia en el rehervidor de 25 KW/hr y de alimentación de 35 kW/hr para

alimentar de tal forma que esté en estado saturado. El proceso es realizado en una simulación

de Aspen Plus para un proceso de 100.000 Lts/día de etanol, en el que se introducirán las

muestras y se le realizará el proceso bajo condiciones estudiadas de temperatura de

alimentación, flujos, reflujo, energía en el rehervidor y condiciones generales de la torre,

observando cual es el avance y resultados generados durante este proceso (Virtual Pro, 2007).

Para este caso, se realiza también una simulación de la zona de reacción, donde se muestra

en serie la reacción de licuefacción con la α-amilasa, la sacarificación y fermentación con la


32

glucoamilasa y la Saccharomyces Cerevisiae, y una parte de filtración a vacío por

centrifugación, los resultados se muestran en la siguiente sección.

Figura 4. Centrifuga

Este es un proceso opcional del proyecto que no puede ser llevado a cabo por la razón

anterior, daño de la planta piloto de destilación, sin embargo, este es un proceso en el que se

utiliza un agente externo como etilenglicol para una destilación extractiva, benceno para una

destilación azeotrópica quien desplaza el azeótropo (95% m/m) para que se logre una

separación completa de etanol agua (99.75%), o tamices moleculares que por diferencia en el

tamaño de las sustancias en la mezcla, se retiene una y permite el paso de la otra, es de aquí

que se debe elegir un tamiz con tamaño molecular mayor al del agua y menor a la del etanol

(Navarro 1, 1984).

g. Análisis de Resultados y Establecimiento del Procedimiento Luego de desarrollado todo el proceso experimental, se comparan los resultados con

los valores existentes actualmente para otras materias primas, de tal manera que se observe el

posible error generado y se justifiquen los resultados obtenidos. El proyecto culmina con el

desarrollo de una propuesta donde planteen las observaciones y datos importantes del

proyecto, se identifiquen los procedimientos, consideraciones y los resultados esperados, de tal

manera que se pueda hacer de este proyecto, una propuesta reproducible y aplicable a otros

aspectos.


33

5. DATOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Luego de realizar todos los procedimientos nombrados, se inicia el análisis con la

elección de la materia prima. Por la abundancia existente en el mercado, su bajo costo y su

tamaño regular obtenido en cualquier tienda, se ha elegido la papa Parda Pastusa, producida

en el altiplano cundiboyacence, Nariño y Antioquia. Esta papa contiene un 82% de humedad y

7% de cenizas, cualidades importantes al momento de cuantificar la producción de harina y las

condiciones del secador (McWilliams, 2005).

La primera etapa del proyecto incluye la elección y caracterización de la materia prima,

esta parte ya ha sido determinada, se han estudiado las propiedades de la papa y se ha

producido la harina con el estudio de la gelificación, a continuación se muestran los resultados

y el análisis pertinente de los mismos.

a. Propiedades de la Materia Prima En esta parte del proyecto, se tomaron 3 muestras distintas de papa del mismo lote, es

decir papas con el mismo tiempo de maduración y tamaño similar. La papa seleccionada en

este proyecto es la Parda Pastusa de 6 meses aproximadamente.

i. Humedad

Tabla 2. Humedad Contenida en la Papa.

El contenido inicial de humedad en promedio en las papas trabajadas es del 82%, sin

embargo este puede ser reducido debido al tiempo de maduración de la papa y el desarrollo de

esta como tubérculo exitoso, ya que el contenido de humedad depende de la concentración de

sólidos, gracias a que el almidón no se degrada por actividad de las enzimas presentes

naturalmente en esta especie, y por ende no hay una hidrólisis prematura. Es por esto que es

importante controlar este parámetro, ya que se puede incrementar la actividad acuosa de la

papa, reduciendo el tiempo de almacenamiento e incrementando el tiempo necesitado para el

secado de la misma (McWilliams, 2005).

% Eq. 10

La comparación es hecha de tal manera que se pueda comparar con la humedad de

equilibrio de la papa, es decir 2.5% (Geankoplis, 1998). Esta humedad en equilibrio no puede

ser removida porque da el equilibrio interno entre las moléculas que hacen parte de la

estructura sólida del compuesto, este estado de equilibrio son enlaces y espacios ocupados por

las moléculas de agua en el interior del sólido.


34

Figura 5. Papa Seca y Macerada

Con esta humedad, ya se tiene un conocimiento previo del tiempo de secado y la

generación de harina, por lo que se puede hacer una proyección de una remoción del 60% de

humedad, dejando el resto en la muestra de harina.

ii. Cenizas

Tabla 3. Cenizas en la Papa.

Eq. 11

Esta prueba demuestra el contenido neto de material inorgánico que no está ligado a la

humedad intrínseca de la papa y no puede ser incinerado. Como se explicó anteriormente en la

metodología, este es el valor base para conocer cuál es la materia seca no reactante en la

hidrólisis de la muestra que se va a trabajar, nos permite conocer un límite más del sistema en

cuanto al secado y la producción de harina. En otras pruebas hechas anteriormente, con papas

de menor tiempo de maduración, se observó que el contenido seco no varía en gran

proporción, pero si lo hace la humedad, por lo que se es posible pensar que la edad de

maduración apropiada de la papa es cercana a los 4 meses, de ahí en adelante continua su

crecimiento pero es proporcional con el incremento de humedad, luego de un tope, entre 6 y 7

meses, se puede esperar el mismo o un tamaño mayor, pero con menor contenido de sólidos

debido a la hidrólisis natural, lo cual afecta seriamente el proceso de obtención de harina,

almacenamiento de la papa y producción de bioetanol, sin embargo, por la elección del tipo de

papa, la mejor opción es trabajar con papas de 6 meses, que contienen mayor humedad, pero

que permiten un secado uniforme y mayor cantidad de materia sólida recolectada (Redepapa,

2003).


35

Figura 6. Cenizas de Papa

iii. Obtención de Almidón

Tabla 4. Producción de Harina de Papa.

La prueba es realizada con el fin de mostrar la importancia del almidón en la papa y de

dar a entender que el proceso de obtención de almidón es más dispendioso que el de la harina,

por lo que consume mayor cantidad de tiempo y de energía. El proceso para la obtención inicia

con la preparación de la muestra, se lava y pela la papa, luego esta es rallada y puesta sobre

una tela que permite solo el paso de sólidos pequeños, menores a 500 µm, este es lavado con

agua para arrastrar la mayor cantidad de almidón posible, aquí se genera el primer

inconveniente, ya que se necesita de altas presiones para recuperar la mayor parte de agua

con el almidón extraído, el sistema utilizado es manual, por lo que la recuperación es

deficiente, y las perdidas en el residuo son altas. Luego se deja decantar por 20 horas

aproximadamente, en el que se generan 3 fases, una completamente sólida que contiene la

mayor parte del almidón y sólidos insolubles, otra que es el sobrenadante, en esta se

encuentra una parte de almidón, puede ser la amilosa, parte lineal y soluble en el agua, sin

embargo por ser un polímero de cadena larga no es totalmente soluble y genera esta capa, y

otra capa acuosa que se desecha, segunda falla del proceso, ya que por unidad de almidón

recuperado es indispensable el uso de grandes cantidad de agua para el lavado.

Eq. 12

Eq. 13


36

Las ecuaciones 12 y 13 representan la relación del porcentaje recuperado comparado

con la masa inicial de papa, mientras que el porcentaje desechado hace parte de la cantidad de

materia sin utilizar, otra relación utilizada para observar el contenido de humedad de la papa es

el porcentaje de agua liberada, permite conocer que procedimiento y tipo de separación se

debe hacer para obtener la mayor cantidad de materia sólida posible.

Figura 7. (Izq.) Sedimentación de la harina. (Dar) Desecho en Producción de Almidón

El sólido recuperado y la parte de almidón soluble, son llevadas a un horno a 60°C,

para lograr el secado correcto de la harina, es importante controlar este valor ya que si la

temperatura es alta, se generará la gelatinización y producirá problemas de determinación de

propiedades ya que aún atrapará agua (fenómeno de gelación) y la medición no será correcta.

Se observa que el porcentaje de almidón recuperado, respecto a la masa inicial de la muestra,

es de tan solo 3%, esto gracias a que no se cuentan con herramientas industriales que ayudan

en la obtención del almidón, el problema se acentúa en la zona de filtración y arrastre del

almidón por medio de agua en la lechada, teóricamente la papa tiene aproximadamente 19%

de almidón, dato importante al momento de comparar la eficiencia de esta extracción

(McWilliams, 2005). Como se nombró anteriormente, otro problema es la decantación del

almidón, además de consumir una gran cantidad de tiempo, la separación es notable pero tiene

el problema de generar adhesión del almidón con el recipiente, por lo que su separación puede

tener problemas ya que la muestra genera 3 fases, lo que implica que haya perdidas por

extracción (Gómez, 2006).

Otra prueba realizada a la papa es el pH natural de la misma, a las muestras que se

usaron para secar y para determinarle las propiedades, se les mide el pH mediante un pH-

metro, el cual permite conocer la acidez del mismo, generando en promedio un valor de 6.5,

este dato es medido para saber a qué condiciones va a entrar la papa al reactor, y la cantidad

de ácido a usar para controlar el pH, también es importante para controlar la calidad de la

papa, ya que una papa ácida implica una papa sobre madura y posiblemente con alta cantidad

de agua y almidón dañado.

Tabla 5. pH natural de la papa


37

b. Secado de Papa Luego de evaluados estos parámetros, el proceso de secado deshidrata la papa

cortada y lavada, esta es llevada a un secador de bandejas, en el que se introduce aire

inicialmente a 29 km/hr, 70°C y 6% de humedad, con estas condiciones, se inicia la medida de

remoción de agua de la materia prima, se toma una muestra cada 10 minutos para observar

sus características, midiendo el peso y las condiciones de entrada y salida del secador (tabla

3). Al comienzo los datos de temperatura y humedad varían porque se está removiendo en

cantidades altas agua, lo que produce un incremento en la humedad del aire, y una reducción

en la temperatura (bulbo húmedo). La curva de remoción de humedad para estas condiciones

puede observarse en el diagrama 2.

La prueba realizada con otros tipos de papa, muestra que hay una tendencia alta en

consumir mayor tiempo para obtener una zona en el que el secado sea decreciente y mínimo

respecto a la Parda Pastusa de 6 meses, como sucede con las especies de 3 y 4 meses, en el

que se necesita más tiempo, lo mismo sucede con la papa pastusa de 5 meses. Aunque su

secado es homogéneo y el molido se hace inmediatamente, se evita que por la capacidad

higroscópica del material, vuelva a adsorber humedad, y por el tipo de empaque usado (Bolsas

ziplock plásticas), se evitan reacciones de pardeamiento posteriores por oxidación o activación

de actividad enzimática. Es por esto que se decide trabajar con harina y no con papa sin

procesar, además de permitir un almacenamiento adecuado por tiempos prolongados, su área

superficial se incrementa, en cuanto a la materia sólida quien es la que reaccionará,

aumentando la eficiencia, manejo óptimo en la reacción porque manejar un polvo es más

sencillo que un material con alta humedad, finalmente esta no genera reacciones secundarias

si esta correctamente empacado.

Figura 8. (Izq.) Papa Seca. (Der) Papa Molida y Empacada

Un problema presentado en el transcurso del proyecto fue la insuficiencia del secador

en generar la velocidad del aire deseada como el caso anterior gracias a que su potencia

alimentada no fue suficiente, es por esto que se reduce la velocidad de 25 km/hr a 11 km/hr

aproximadamente, este hecho genera cambios en la calidad de la harina si se trabaja con el

mismo rango de tiempo, ya que la remoción alcanza a ser de 50%, una decisión tomada es la

de usar el secador bajo estas condiciones, pero permitir que el aire este en contacto mayor

tiempo con la materia prima, aumentando el periodo de secado a 3 horas con 30 minutos

aproximadamente. Los resultados se observan en la tabla 6, se genera una remoción del 78%,


38

un 16% de diferencia, lo que genera como conclusión que el flujo de aire si tiene incidencia,

pero con un tiempo más prolongado puede generar mayor remoción, y por ende mayor

eficiencia de secado en el proceso. Estas condiciones no afectan el proceso de medición ya

que todas las muestras a trabajar fueron tratadas bajo las mismas condiciones (menor flujo).

Tabla 5. Resultados del Secado de papa con flujo de 25 km/hr

Tabla 6. Resultados del Secado de papa con flujo de 11 km/hr

Eq. 14

Esta ecuación representa la humedad relativa cambiante en cada punto de medición,

se compara el punto anterior (1) con el punto que se mide en el tiempo actual (2), un ejemplo

es si se estuviera midiendo la masa a los 30 minutos, 1 sería el tiempo 0 y 2 en t=30 minutos.

Eq. 15


39

Esta humedad representa la cantidad de agua removida en todo el proceso de secado,

como parámetro principal para determinar la eficiencia y la calidad de la materia prima o harina

obtenida.

Eq. 16

Eq. 17

Eq. 18

Estas relaciones permiten obtener la cantidad de humedad final en la harina y otra

forma de observar cuanta humedad ha sido removida con el secado. Luego de este proceso,

viene el molido, el cual fue realizado en una licuadora con cuchillas bajas aptas para el corte

homogéneo de la muestra, las pérdidas fueron mínimas en este proceso. La muestra es llevada

al tamizado, donde se consigue una homogenización en varias capaz, cada una tiene un

contenido de almidón, pero con otros compuestos que le dan una clasificación especial. En

esta parte, se perdió aproximadamente un 15% de la masa total, la cual se desecha, aunque

en la industria se usa como alimento veterinario (CIAT, 1986).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 20 40 60 80 100

% H

umed

ad

t min

Humedad Vs Tiempo

Ica 3 - Capiro 4 meses

Parda - Coneja 4 meses

Parda 5 - Unica 6 meses

Pastusa 6 meses pelar y Sin Pelar

Diagrama 2. Comportamiento en la humedad de distintos tipos de papa

El desarrollo de la velocidad de secado es realizado mediante la siguiente relación:

eq 19

eq 20

La ecuación 19 es la forma de calcular la humedad total de la papa en cada tiempo de

medición realizado, y la humendad libre en la papa, ya que la ligada no se puede remover por

las razones anteriormente mostradas, permiten conocer cual es la velocidad de secado. Los


40

datos de W son los valores de la humedad en el tiempo anterior, y el Ws es la papa en el

tiempo actual, o el que se encuentra con mayor remoción de humedad durante su medición. La

remoción inicia con un periodo de velocidad creciente, en este punto lo que scuede es que se

remueve toda el agua no combinada presente en la superficie, la cual no interactua con el

sólido, esto sucede en los primeros 30 minutos. Luego viene un periodo de velocidad

constante, en el que se mantiene la remoción del agua a velocidad constante, mientras que el

agua continue saliendo sin restricciones del interior de la papa, es decir que no haya un cierre

capilar, o la degradación del sólido, en este punto se puede suponer que la temperatura de

bulbo húmedo es similar a la temperatura de la superficie del sólido. Luego de superar la

velocidad constante, sucede la velocidad decreciente, en el que hay un cambio en el punto de

humedad crítica, dado a una humedad libre de 0.7 y 130 minutos aproximadamente. En este

punto ya la superficie no está mojada y comienza a decrecer la cantidad de agua en la parte

externa de la papa por lo que se hace mas complicado remover la humedad del sistema, este

periodo continua hasta lograr el secado total (equilibrio).

De lo anterior es importante entender que las condiciones del medio sean tales que se

pueda remover la humedad del sistema, es decir que la humedad del aire debe ser menor que

la que se está removiendo en el agua y posiblemente de la humedad de equilibrio final de la

materia prima, lo que permitiría una transferencia de masa positiva y lograr un equilibrio con el

medio bajo un valor apropiado de secado. Durante el secado se observan 3 fenómenos

importantes, como lo es la teoría de difusión, en la que la superficie tiene menor humedad que

el interior, el movimiento o cierre capilar del sólido que reduce la velocidad de secado y efectos

de la contracción por reducción en el volumen del sólido y su deformación. Los resultados de la

velocidad de secado para una muestra de papa Ica Única de 6 meses por 3.5 horas son

mostrados en el diagrama 3. Este diagrama puede entenderse como un avance del secado a

medida que hay una reducción en la humedad libre X, por lo que la lectura se hace de derecha

a izquierda en el eje x.


41

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

Vel. Secado

Kg Agua/m2*min

Humedad libre X

Velocidad de Secado

Diagrama 3. Velocidad de Secado

c. Gelatinización de la harina Los resultados de las pruebas para el almidón mostraron que este es apto para usarse bajo las

condiciones establecidas en la metodología de la hidrólisis. La temperatura resultante al

momento de gelatinizarse es de 65°C cuando inicia, y finaliza en 85°C, en este punto la

agitación es mínima, dando problemas al momento de agregar las enzimas para la reacción, ya

que implica una fluidización de la mezcla. Para la prueba se realiza una mezcla de 67.5 gr/Lt de

solución. Al variar la cantidad de harina, se observa que hay un incremento en la temperatura

de gelatinización, ya que hay menor cantidad de almidón disponible para hincharse por

acumulación de agua. Resultó una temperatura de gelatinización inicial en 78 y final de 92 °C

aproximadamente, en este punto hay gelatinización y evaporación del agua, por lo que no es

confiable este dato.

Es importante tener en cuenta que el proceso de gelatinización y gelificación es

distinto, el primero es el hecho explicado anteriormente, en el que con el incremento de la

temperatura, las moléculas dentro del gránulo de almidón se desorganizan y permiten la

entrada de agua en su estructura interior, comenzando con la solubilización de la amilosa

(Parte lineal del almidón, cadena corta, 20% del polímero), continuando con disrupción de

moléculas por la agitación y el hinchamiento por el ingreso de agua, generando esta transición

de estado similar a un coloide, que con un efecto reversible, puede liberar cierta cantidad de

agua aunque después de formado el gel ya no hay reversibilidad completa. La gelificación

sucede en las proteínas y péptidos al agregar un agente gelificante para que este tenga el

mismo efecto, sucede a temperatura ambiente. La gelación es el proceso de formar un gel, es

decir reúne las definiciones anteriores.

Para el proceso de sacarificación se usa una concentración de 100 gr/Lts lo que implica

una temperatura menor de gelatinización. También se observa una generación de espuma


42

importante si hay un cambio en la agitación, factor a controlar con la agitación correcta de la

solución. De lo anterior, la gelatinización no implica que haya un cambio de estado en la

muestra de líquido a sólido, lo que pasa es que hay un incremento en la viscosidad, es esta la

razón por la cual no se usan enzimas inmovilizadas en el proceso (Virtual Pro, 2007).

La caracterización de la gelatinización de la harina es realizada con la acidez, para este

caso se le añade limón a la mezcla de 62.7gr/Lt, esto demuestra que la gelatinización inicia a

una temperatura menor, aunque necesita mayor tiempo y un rango de temperatura más amplio

para lograr la gelificación completa, lo que implica que el ácido, como propulsor de la hidrólisis

por ruptura de los enlaces glucosídicos, puede generar mayor prolongación de la

gelatinización. Se utilizan 30 ml de jugo de limón para esta prueba obteniendo un pH de 2.65 al

final, los pH que se desarrollarán en la prueba de sacarificación con las enzimas estudiadas

están en el rango de 6 a 4. Otro efecto estudiado fue el del azúcar, que al igual que el ácido,

tiende a reducir el punto de inicio de la gelificación, con un rango mayor de temperatura para

conseguir la gelatinización completa, gracias a que la glucosa ayuda a los enlaces de almidón

a que se hinchen con el agua y generen la gelatinización de estas zonas (Matissek, 1998).

Las pruebas anteriores tienen un gel más consistente y homogéneo, un poco más

fluido pero con un inicio de gelatinización previo y con mayor producción de espuma. Es por

esto que se elige una hidrólisis enzimática en lugar de la ácida. La hidrólisis con reducción de

pH, además de que esta tiende a degradar los compuestos posteriores de la glucosa

generando alcoholes secundarios en la fermentación, inhibe la actividad de la levadura, entre

otros problemas de seguridad y demás.

Tabla 7. Resumen

d. Comparación de la actividad de las Enzimas Hidrolizantes Al realizar las pruebas de comparación de la actividad de las enzimas a las condiciones

descritas en la metodología, la primer característica observada antes de agregar la enzima, es

la formación eficiente del gel a la misma temperatura, las muestras aumentaron abruptamente

su viscosidad a 65°C, lo que hizo imposible continuar con este tipo de agitación, sin embargo al

agregar 0.5 ml de la enzima α-amilasa a la solución de 500 ml, con 50 gr de harina inicial, se

reduce la viscosidad inmediatamente y la agitación continua igual de simple a temperatura

ambiente, pero esta se va reduciendo a medida que el tiempo de reacción ocurre, lo mismo

sucede con la glucoamilasa, pero esta necesita un poco más de tiempo para reducir la

viscosidad, aunque su valor continua aun siendo alto. Este podría ser un método para evaluar

la evolución de la reacción, ya que a medida que la reacción se lleva a cabo, se están cortando


43

o hidrolizando las cadenas de almidón, lo que permite la expulsión de agua (retrogradación y

sinéresis), y por ser polímeros de menor tamaño, su agitación se hace con menor potencia, es

decir que con un sensor de potencia en el agitador, se puede saber la velocidad de reacción y

puntos importantes dentro de la misma (Bellitz, 1980).

Para entender el concepto anterior, la enzima α-amilasa es una endoenzima que

genera cortes al interior de la molécula polimérica en la amilosa y amilopectina, formando

oligosacáridos y dextrinas, comenzando con los gránulos de mayor tamaño que incluyen

cadenas más largas y reduciendo su tamaño a medida que la reacción avanza. Esta enzima

solo funciona con los enlaces α-1,4 y no ataca a los segmentos del polímero que están

formando dobles hélices, es decir aquellos que no han sido gelatinizados, ni los que están

haciendo un complejo con lípidos. La otra enzima utilizada es la glucoamilasa, quien funciona

como una exoenzima, haciendo cortes externos de la cadena para generar unidades de

glucosa al almidón ya gelatinizado, produciendo hidrólisis en los enlaces α-1,4 y 1,6 de la

amilosa y amilopectina, es esta la razón por la que toma mayor tiempo para reducir la

viscosidad o generar los cortes, ya que son al interior, además esta enzima busca generar

glucosa con extremos reductores, mientras que la α-amilasa hace cortes externos y genera

menor cantidad de extremos reductores por la longitud de las dextrinas (Brandama et al, 2002).

En el caso de la α-amilasa, los resultados son mostrados en la tabla 7, con la variación

del pH a niveles aceptables para la enzima. Los cálculos fueron hechos a partir de las

siguientes ecuaciones:

Eq.21

Este cálculo es hecho por la titulación realizada, en el que se utilizaron 3.6 ml de una

solución de glucosa al 0.5% en 4 ml de solución Fehling, 2 del tipo A y 2 del tipo B en 15 ml de

agua. El factor resultante es f=7.2. Luego de obtener este valor se deben calcular la cantidad

de glucosa contenida en la solución, titulando sobre la solución de Fehling, 2 ml de A y 2 ml de

B en 15 ml, de agua, el volumen obtenido debe ser transformado mediante la ecuación 22.

Eq. 22

Eq.23

Con este resultado, se halla la concentración de glucosa y azúcares reductores simples

generados por la reacción, de tal manera que se puede hallar la conversión, graficada en el

diagrama 3, 4, 5, 6, y en las tablas 8, 9, 10 y 11, ya que estos cálculos aplican para la reacción

de la α-Amilasa y la Glucoamilasa.

Eq. 24


44

Resultados de pH para la α-Amilasa

Tabla 8. Resultados de la α-amilasa, pH

Como se puede observar, el pH que genera mejor resultado es el 5, sin embargo puede

existir un rango al interior de la medición que muestre mejores resultados, en comparación con

otros resultados (Gonzales, 2006), la enzima puede trabajar a 5.5 para este tipo de materiales

amiláceos, Una hipótesis podría ser que la enzima trabaje a un pH bajo para que la acidez

ayude con la hidrólisis del sistema, como sucedió con el limón en la sección 4.1.5, sin embargo

esto no sucede. La razón ejemplificada es su función natural, la α-amilasa es una enzima que

se encuentra en la saliva de los seres humanos, y esta cumple la misma función que este

proceso, reducir el tamaño de los carbohidratos poliméricos para generar dextrinas y que su

hidrólisis sea de mayor simpleza en el proceso de formación de glucosa en el estómago (Acida)

y la adsorción en el intestino. Es importante tener en cuenta que el estudio de esta enzima se

hizo a una temperatura constante de 65°C, temperatura a la cual inicia la gelatinización. Lo

curioso sucede con el resultado de la temperatura si se trabajara con esta comparación, como

se observa en la tabla 9, quien trabaja a un pH constante de 5 en estas muestras.

Resultados de Temperatura para la α-Amilasa

Tabla 9. Resultados de la α-amilasa, Temperatura

La temperatura óptima de trabajo de esta enzima se encuentra en aproximadamente

70°C, sin embargo hay la duda de que pueda ser mayor por el rango estudiado (Gonzales,

2006), ya que se usa en algunos casos a 80°C (nivel del mar). Normalmente la saliva se

encuentra a 37 °C, lo que podría inducir que la enzima en el cuerpo humano no trabaja a su

máxima eficiencia, o que esta no sea el mismo tipo de enzima en cuanto a su especificidad.


45

Resultados de pH para la Glucoamilasa

Para el caso de la glucoamilasa, se muestran los resultados en la tabla 10 para el caso

del pH.

Tabla 10. Resultados para la Glucoamilasa, pH

El mejor resultado para esta enzima, bajo los parámetros estudiados se encuentra a un

pH bajo, aproximadamente 4. Esto sucede porque esta enzima ya necesita de ayuda del

acido para lograr la hidrólisis preliminar de las cadenas poliméricas. Esta enzima se encuentra

en el estómago de los cerdos y otros animales, por lo que su función, al igual que la α-amilasa,

pero su corte es sobre dextrinas generadas por la amilasa, para producir glucosa y maltosa,

azucares reductores asimilados por el cuerpo y adsorbidos en el intestino para llevar al torrente

sanguíneo y realizar el ciclo de Krebs (McWilliams, 2005). Esta enzima también trabajo a una

temperatura constante de 65°C para el estudio del pH, valor de gelatinización igual para este

caso.

Resultados de la Temperatura para Glucoamilasa

En la tabla 11 se observan los resultados generados por el cambio de temperatura a un

pH de 4.5, por las condiciones mostradas en la ficha técnica.

Tabla 11. Resultados de la Glucoamilasa, Temperatura.

Es posible observar que la temperatura en la que mejor presenta desempeño es a

50°C, y parece ser la temperatura global de trabajo, dato importante a tener en cuenta al

momento de realizar la experimentación de otros parámetros como el tiempo de residencia,

relación enzima-sustrato o sustrato-solución.

Las mediciones del seguimiento de reacción con la reducción de los azúcares

reductores en los anteriores experimentos son realizadas con el método de Lane y Eynon

(UNEY, 2007), en el que con la titulación de la solución de glucosa o azucares reductores,

genera un cambio colorimétrico en la solución Fehling. La titulación se hizo en pipetas


46

pequeñas gota a gota con agitación sobre la plancha de calentamiento en el que se encuentra

la solución de cobre. Las reacciones se llevaron a cabo de manera controlada en todo

momento gracias a que se utilizaron planchas que no mantienen la temperatura constante, de

aquí que se regulara constantemente el incremento de temperatura para mantener la

temperatura +/- 2°C del valor deseado, la agitación no tenía problema.

El pH de las muestras fueron controlados cada hora con un pH-metro electrónico,

observando un incremento de 0.2 del valor establecido para todas las muestras, esto sucede

porque las dextrinas y glucosa con extremos reductores.

El error fue calculado a partir del rango en el que se podía cometer el error, esto es la

cantidad de solución de harina titulada, la variación es de 0.1 ml, aproximadamente 1 gota. El

cálculo del error fue tomar un dato medido e incrementar y reducir en 0.1 ml el resultado, luego

obtener la concentración de glucosa mediante las ecuaciones 21, 22 y 23, y comparar el

resultado de manera tal que de el porcentaje de diferencia. Los valores de X1 y X2 son las

conversiones obtenidas con el valor original y el valor sumado o restado 0.1 ml.

Eq. 25

Los resultados reflejan que a medida que avanza la reacción, el error se hace más

pequeño, ya que los cambios en la conversión son menores si el error es de 0.1 ml.

En la Diagrama 4 y 5 se pueden observar el comportamiento de la α-amilasa a los

cambios establecidos. Se observa una mejor tendencia para el pH 5 y una temperatura de

70°C, como se nombró anteriormente. El comportamiento es similar al mostrado por Michaelis

Menten (Fogler, 2001), con un punto de cambio de pendiente en forma de S debido a la

activación de la enzima, la reducción de la energía de activación entre otros parámetros.


47

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Conversión

Tiempo min

Efecto pH en a‐Amilasa

pH=4pH=5pH=6

Diagrama 4. Variación de pH para la α-Amilasa

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Conversión

Tiempo min

Efecto Temperatura en a‐Amilasa

T=50°CT=60°CT=70°C

Diagrama 5. Variación de Temperatura para α-amilasa

La observación más simple es el crecimiento de la conversión a medida que avanza el

tiempo, es la curva continua dada a pH=5 y T=70°C, con valor creciente, las otras curvas son

generadas para poder hacer un comparativo entre los errores y el dato conseguido en cuanto a

la transformación de almidón a glucosa y azucares reductores en el tiempo de medición. El

error generado es del 5%, resultado obtenido de comparar el resultado si se hubiese agregado

1 gota de mas a la solución o 0.1 ml. Los resultados comparativos de las dos enzimas se


48

pueden observar en el diagrama 8 y 9. Se puede observar un punto de inflexión para la curva

de pH=5 con T=65°C para la α-Amilasa, en una conversión de 25%, esta es una característica

especial de las reacciones catalizadas biológica o enzimáticamente. Otro valor importante para

el comportamiento de la enzima con variación de pH, es que hay mayor actividad por parte de

esta enzima después de 50 minutos, como se puede observar con el incremento de pendiente,

punto en el cual esta tiene ventaja sobre los otros valores de pH. Por el error obtenido se

puede deducir que la confianza se reduce en los resultados obtenidos al inicio de la medición,

sin embargo, a medida que aumenta el tiempo y que la reacción es llevada a cabo se observa

una reducción en el rango de error, por lo que el valor final es confiable y puede ser

comparable entre las 2 enzimas.

Estos diagramas son graficados con unas curvas decrecientes que representan el valor

de Consumo de Almidón contra el tiempo, de tal manera que pueda hacerse comparable el

error y que este vaya generando una reducción a medida que aumenta el tiempo de reacción,

esto es aplicado para ambas enzimas. Estos puntos son identificados en la leyenda como un

valor de pH o temperatura, la otra curva graficada, de manera creciente representa el valor de

la conversión al mejor resultante de los medidos, es una referencia para observar el

comportamiento de las otras soluciones.

Figura 9. Cuantificación de la Reacción, Izq., antes. Der, Después.

El cambio de temperatura para la α-Amilasa es similar al pH de la misma, se observa el

mismo rango de error y comportamiento reductivo del mismo a medida que avanza la reacción.

Se elige la temperatura de 70°C por su mejor comportamiento y desempeño en cuanto al

crecimiento de la conversión. De acuerdo al valor del error final en la variación de pH (pH=5,

94.2%+/-0.4%) el resultado al final del tiempo para la α-Amilasa no ofrece la suficiente

confianza para saber cuál es el resultado deseado y cual debe escogerse, para esto se

necesita usar una técnica de mayor precisión. Para la temperatura, con un rango más estrecho

de medición (T=70°C, 94.8%+/-0.3%), genera mayor confianza comparado con los otros

resultados, por lo que se puede concluir que esta es la mejor temperatura (entre las medidas)

para trabajar la enzima, bajo el pH de 5, usado para las 3 pruebas de diferentes temperaturas.

Para el caso de la glucoamilasa, se pueden observar los resultados en la Diagrama 5 y

6, que incluye el comportamiento del pH y Temperatura de manera similar a la ecuación de

Michaelis Menten, gracias a su definición (Chang et al, 2004).


49

Eq. 26

Eq. 27

Como se había nombrado anteriormente, el mejor resultado mostrado, sin concluir

estadísticamente, es para un pH de 4 y una temperatura de 50°C en el caso de la

glucoamilasa. De los resultados obtenidos, inicialmente se elegiría la α-amilasa por su menor

tiempo de reacción y la conversión alcanzada, sin embargo, hay que tener en cuenta que esta

medición incurre en un error porque se está eligiendo un sistema de medición sobre azúcares

reductores totales, incluyendo maltosa y glucosa, esto implica que, bajo las características

mostradas en otros sistemas (Brandama et al, 2002), la α-amilasa solo transforma el almidón a

dextrinas y glucosa, que se hacen en un tiempo corto comparada con la glucoamilasa, que

corta estas dextrinas en glucosa como es definida su función en la hoja de seguridad. Una

comprobación hecha, y lo que se hace con otras materias primas, es la de combinar los dos

procesos en serie, permitiendo generar la licuefacción o producción de dextrinas con la α-

amilasa inicialmente por 3 horas, y luego continuar con la glucoamilasa en un tiempo más

prolongado para lograr un conversión adecuada a glucosa por la sacarificación.

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0 50 100 150 200 250 300

Conversión

Tiempo min

Efecto de pH en Glucoamilasa

pH=4pH=5pH=6

Diagrama 6. Variación de pH en la Glucoamilasa


50

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0 50 100 150 200 250 300

Conversión

Tiempo min

Efecto de pH en Glucoamilasa

T=50°CT=60°CT=70°C

Diagrama 7. Variación de Temperatura para Glucoamilasa

Al igual que la α-Amilasa, la Glucoamilasa permite un incremento de conversión

continuo a medida que incrementa el tiempo de reacción, se puede observar el mismo

comportamiento de punto de inflexión para la variación de pH con esta enzima. Es importante

observar que el mismo procedimiento para hacer de los resultados comparables y analizables

estadísticamente fue aplicado para esta enzima, se elige el consumo del almidón para generar

glucosa y azucares reductores, con un error también del 5% ya que el procedimiento fue el

mismo que el realizado con la α-Amilasa. Con un tiempo más prolongado para la reacción, las

diferencias de la conversión resultante por el cambio de pH para la glucoamilasa presenta

mayores cambios en el transcurso, las diferencias son mayores y por ende comparable

estadísticamente por el factor de error que se reduce cada vez que aumenta el tiempo de

reacción. La variación de temperatura muestra también puntos de inflexión y mayor tasa de

crecimiento en la actividad enzimática para T=50°C después de los 150 minutos, luego su rata

de reactividad decrece hasta el tiempo de medición final.

Para un pH de 4 los resultados al final de las 5 horas de reacción se hacen

comparables (95.9%+/-0.2%) respecto a los otros resultados hallados para esta enzima con la

variación de pH, concluyendo que estas condiciones presentan una buena conversión. Para la

temperatura de 50°C con esta enzima y con un pH de 4.5, el resultado se hace comparable e

ideal para el trabajo de la enzima ya que es la máxima conversión observada comparando con

las otras condiciones modificadas (96.8%+/-0.2%).


51

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0 50 100 150 200 250 300

Conversión

Tiempo min

a‐Amilasa Vs Glucoamilasa pH

pH=4 a‐Amilasa

pH=5 a‐Amilasa

pH=6 a‐Amilasa

pH=4 Glucoamilasa

pH=5 Glucoamilasa

pH=6 Glucoamilasa

Diagrama 8. Comparación de la conversión de pH para las 2 enzimas

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 50 100 150 200 250 300

Conversión

Tiempo min

a‐Amilasa Vs Glucoamilasa T

t=50 a‐Amilasa

T=60 a‐Amilasa

T=70 a‐Amilasa

T=50 Glucoamilasa

T=60 Glucoamilasa

T=70 Glucoamilasa

Diagrama 9. Comparación de Conversión de Temperatura entre la α-Amilasa y Glucoamilasa

Estas figuras permiten comparar los resultados obtenidos para las dos enzimas bajo las

mismas condiciones de pH y temperatura. En la primera variación, la temperatura de 65°C es

fijada porque este es el valor en que se da el punto máximo de gelatinización en las mezclas,

ajustando el pH, se comienzan a observar las siguientes condiciones:

• Mayor pendiente inicial para la α-Amilasa, lo que implica que al principio de la reacción

esta muestra mayor generación de azucares reductores y glucosa.

• Comportamiento característico dado por las enzimas, ya que se genera un cambio de

pendiente al inicio de la reacción, observado en una aceleración y reducción de la

conversión en este rango de tiempo (0-100 min).


52

• La conversión alcanzada para las dos enzimas es similar y comparable por el error

obtenido, ya que el rango de variación es aproximadamente 0.2%, sin embargo cabe

anotar que la reacción con la α-Amilasa es de licuefacción o generación de dextrinas

con extremos reductores, mientras que la sacarificación realizada por la glucoamilasa,

con mayor tiempo de reacción permite lograr la obtención de glucosa y azucares

reductores con mayor reactividad al momento de la fermentación (Brandama et al,

2002).

• Estadísticamente, con la variación mostrada en la diagrama 4 y 5, permite concluir que

la variación de pH no genera un gran impacto en los resultados, por lo que se podría

desechar la idea de utilizar acidez para lograr mayor conversión (Costos y Seguridad),

sin embargo esto puede ser corroborado por la hidrólisis ácida y por las propiedades

naturales de la enzima para desarrollarse en este tipo de medios.

En el caso de la temperatura, el comportamiento es similar, bajo las mismas condiciones

de error, medición y montaje.

• El efecto de la temperatura es mayor que el de pH en cuanto al crecimiento de la

actividad enzimática y de la conversión a azucares reductores, por lo que se puede

analizar la posibilidad de utilizar la glucoamilasa como enzima predilecta, ya que

alcanza la misma conversión que la α-Amilasa en un tiempo similar y supera a la

misma al final.

• El análisis estadístico permite decidir que las condiciones de pH=4.5 y Temperatura

50°C son aptas para llevar a cabo la reacción de hidrólisis, sin embargo el

procedimiento realizado posiblemente no permite conocer con certeza la cantidad

de glucosa total que va a reaccionar en la fermentación.

• Las otras condiciones estudiadas para la α-Amilasa tienen un resultado similar, por

lo que no se puede definir con certeza cuál es la mejor opción, mientras que para la

glucoamilasa, este resultado si es comparable, como se observa en la Diagrama 7 y

8.

Tabla 12. Resultados Enzimáticos

Los resultados obtenidos de las concentraciones de glucosa en las distintas reacciones,

permiten realizar un cálculo aproximado de cual es la velocidad de reacción de la α-Amilasa y

Glucoamilasa para el cambio de temperatura en ambos casos. El cálculo inicial fue realizado

para hallar la pendiente en cada caso de temperatura, haciendo un diagrama a partir de los

siguientes datos:

eq 28


53

eq 29

Con estos resultados, se genera una recta con pendiente positiva ya que el valor negativo de

consumo no se tuvo en cuenta, como se observa en el diagrama 10 para la α-Amilasa y

diagrama 12 para la Glucoamilasa. A continuación se calculan las propiedades de Arrhenius

con las temperaturas trabajadas a partir de las siguientes ecuaciones.

eq 30

eq 31

Los diagramas 11 para la α-Amilasa y 13 para la Glucoamilasa, permite conocer cual es la

pendiente y los valores de constante de Arrhenius y la energía de activación, que cambia de la

Glucoamilasa respecto a la α-Amilasa por las propiedades de cada enzima, el resultado se

puede ver por la temperatura menor trabajada para la Glucoamilasa con mayor Energía de

Activación y mayor tiempo de trabajo.

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

0 50 100 150 200 250 300

([Glu]‐[Alm

Ini])/[Alm

Ini]

Tiempo min

Velocidad de Reacción Glucoamilasa

T=70°C

Diagrama 10. Velocidad de Reacción α-Amilasa


54

‐4,1

‐4,08

‐4,06

‐4,04

‐4,02

‐4

‐3,98

‐3,96

‐3,94

‐3,92

‐3,9

2,90E‐03 2,95E‐03 3,00E‐03 3,05E‐03 3,10E‐03

Ln k

1/T °K^‐1

Arrhenius para a‐Amilasa

Diagrama 11. Arrhenius para α-Amilasa

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

0 50 100 150 200 250 300

([Glu]‐[Alm

Ini])/[Alm

Ini]

Tiempo min

Velocidad de Reacción Glucoamilasa

T=50°C

Diagrama 12. Velocidad Glucoamilasa


55

‐4,9

‐4,8

‐4,7

‐4,6

‐4,5

‐4,4

‐4,3

2,90E‐03 2,95E‐03 3,00E‐03 3,05E‐03 3,10E‐03

ln k m

in^‐1

1/T K^‐1

Diagrama 13. Arrhenius Glucoamilasa

Las velocidades de reacción son realizadas para una reacción elemental, es decir con un

exponente de 1, quien permite desarrollar la reacción de esta manera. Es importante tener en

cuenta que la variación con otras enzimas es generada por la diferencia de propiedades.

e. Fermentación

Con los resultados obtenidos de las enzimas, se ha elegido utilizar la mezcla de α-

amilasa con glucoamilasa, ya que se realizó una prueba preliminar para observar que sustancia

fermentaba mejor, una con solo reacción de α-amilasa, otra con glucoamilasa y otra con la

mezcla de las dos en serie, como se explicó anteriormente. Los resultados son mostrados en la

tabla 13.

La conversión a etanol en el proceso es el resultado impactante en esta parte del

proceso. Para calcularla, fue necesario utilizar un factor de corrección en la fase inicial del

crecimiento de microorganismos y para la producción de bioetanol, ya que la medición hecha

es para contar los sólidos totales de la solución medida con los grados Brix, el cual mide la

concentración de sacarosa bajo unas condiciones dadas (Virtual Pro, 2007). Este factor es de

un 75% de la concentración de glucosa medida inicialmente, esta fue incrementándose con el

tiempo ya que la ruptura de enlaces y la generación de etanol ayudan para dar este cambio.


56

El factor de corrección para la medición inicial en la fase Lag de los microorganismos

es mostrado en la ecuación 31, estos datos se aplican para las 3 mediciones iniciales, en las

primeras 5 horas. La ecuación 32 muestra el factor de corrección realizado a la concentración

de tiempo medido mediante el método de refracción (Virtual Pro, 2007).

Eq.31

Con estos factores de corrección definidos, se puede obtener la concentración de

etanol con el transcurso de la reacción, y obtener la función correcta del crecimiento adecuado

de microorganismos y generación de etanol.

Tabla 13. Fermentación

Se puede observar que la reacción es llevada a cabo por 49 horas, en esta se coloca la

solución previamente filtrada en una centrífuga a 3000 rpm por 10 minutos, para liberar la

mezcla de los sólidos de mayor tamaño, luego es preparado el inóculo como se explicó

anteriormente en la metodología. Al colocar el mosto, este generaba un incremento de

temperatura a medida que avanzaba la reacción, se podía observar por la continua

alimentación de agua al rotavapor para mantener la temperatura constante ya que la

evaporación del baño era continua. La agitación utilizada es la suficiente para mantener la

homogeneidad del sistema, también se tapaba de vez en cuando las boquillas de salida del

condensador del rotavapor para inhibir la entrada de oxigeno al sistema, y de noche se dejaba

abierto para que se aireara y los microorganismos funcionaran de manera correcta. La

concentración de las sales fue definida por una investigación hecha sobre esta levadura


57

(Ronghou et al, 2007). Estas sales permiten el correcto funcionamiento de los

microorganismos, en el que no es posible medir el avance y relación de actividad celular por

qué no se tenía el equipo apto para este proceso, sin embargo el desarrollo de este proceso

inicia con una fase Lag, en la que el microorganismo se adapta al medio que es puesto, es

importante mantener las condiciones para que se adapte correctamente. Luego viene la fase

exponencial o de generación de etanol, depende directamente del sustrato.

Una fase estacionaria es creada, en la que hay equilibrio entre microorganismos vivos y

muertos, con la detención de la generación de bioetanol, y finalmente la fase de muerte donde

se rompe este equilibrio e inicia el transporte para el tren de separación. En el diagrama 14 se

pueden observar los resultados obtenidos con el uso de glucoamilasa como hidrólisis y la

mezcla de la α-amilasa con la glucoamilasa. No se muestra la reacción de α-amilasa porque

esta no es congruente, los datos resultantes solo varían en las primeras 3 horas, la

concentración de glucosa varía poco y no hay formación de etanol, por lo que se hace

necesario utilizar las enzimas en conjunto, ya que generan mayor eficiencia del proceso.

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0 10 20 30 40 50 60

Conversión

Tiempo hr

FermentaciónGlucoamilasaA‐Amilasa + Glucoamilasa

Diagrama 14. Resultados de Fermentación

La misma explicación anterior ante el cálculo del error, la variación es menor a medida

que avanza la reacción, por la reducción en el cambio de la conversión en este momento, al

inicio es mayor el valor del error.

La eficiencia es mayor para las reacciones en serie de licuefacción y sacarificación

desde el inicio, se puede observar como hay un cambio de pendiente entre las primeras horas

de reacción, fase lag, y la medición hecha en el segundo día, en el que hay un crecimiento


58

exponencial del producto estudiado, el etanol. En este proceso ya no ocurren cambios en la

viscosidad, ya que se inhibe la acción de la α-amilasa y la glucoamilasa, además se remueve el

sustrato con filtración para estas reacciones, las condiciones trabajadas para la fermentación

son de 35°C y 4.5 de pH, que es controlado cada día, sin variar mucho en su valor.

En la Diagrama 15 se puede observar el resultado de la reacción de fermentación en

cuanto a la reproducción celular de los microorganismos y de las fases mostradas

anteriormente. El tiempo de reacción dado para ese caso fue de 72 horas, el realizado en este

proyecto es de 50, punto en el que comienza a decaer la reacción y a romperse el equilibrio

entre microorganismos vivos y muertos, tiempo suficiente para concluir que condiciones de

sustrato se deben manejar para este tipo de reacción.

Diagrama 15. Crecimiento Celular de la Saccharomyces Cerevisiae, Tomado de VirtualPro, 2007.

El error de esta medición es de aproximadamente 10%, ya que la sensibilidad del

refractómetro es de +/- 1%, lo que permite concluir que la mejor opción, además de los

argumentos dados anteriormente, es usar inicialmente α-Amilasa para la reacción de

licuefacción y a continuación la Glucoamilasa. La comparación no fue hecha con la

fermentación y α-Amilasa porque el error al inicio es alto y no permite hacer una conclusión

acertada.

Para el caso de la mezcla se obtiene una eficiencia de (86.3%+/-3%) mientras que para

la mezcla en serie de las dos enzimas trabajadas genera (90.9%+/-2%).

El consumo de papa para la producción de alcohol puede ser calculada de la siguiente

forma, se tomaron inicialmente 50 gr de harina de papa para la reacción con la α-Amilasa y

Glucoamilasa, con una eficiencia del 30% como se observó en el secado, se obtienen 178 gr

de papa utilizada inicialmente par obtener esta cantidad de harina. Al comparar con el etanol

producido después de la fermentación, aproximadamente un 12% por las correcciones, el

resultado es de 60 gr de alcohol en la muestra actual de 500 ml de etanol, esto en volumen es

aproximadamente 0,075 Lts de Alcohol, o 0,178 Kg Papa/0,075 Lts de Alcohol o 2,4 Kg Papa/Lt

Etanol. Comparado con lo que actualmente se está produciendo en Colombia (Arias, 2006), la


59

productividad es de 5,4 Kg yuca/Lt etanol, aunque se utiliza otra materia prima, esta puede ser

comparable con la papa porque ambas tienen un valor similar en el balance energético teórico,

es decir que la cantidad de energía generada es la misma que se consume para producir el

etanol, aproximadamente.

g. Separación y Simulación

La separación esperada para este proceso comienza con una centrífuga, que remueve

la cantidad de sólidos insolubles del medio, luego viene el proceso de destilación, esperando

una entrada de una solución acuosa de etanol al 12%. Se esperaría que en la primera torre se

separara una parte del agua y la glucosa restante en los fondos, mientras que el destilado

contendría todo el etanol y una parte del agua. La siguiente columna llegaría hasta el punto

azeotrópico en la cima y otra parte de agua en los fondos. Se podría utilizar un método de

separación como un desplazamiento del azeótropo por medio de una sustancia extractiva o

azeotrópica, la primera sería etilenglicol, con un mayor punto de ebullición permite la

separación completa del etanol, llevando el agua como fondos y el resto de etilenglicol para su

recuperación. La destilación azeotrópica utiliza benceno o tolueno como producto para

desplazar el azeótropo, y con la concentración previa del etanol, permite liberar el etanol como

sustancia de fondos y el agua con el benceno como destilado, para ser condensado y

decantado, haciendo un make up del solvente utilizado. Por último se puede utilizar un tamiz

molecular que da una separación selectiva de los compuestos internos de la solución,

dependiendo del tamaño molecular.

Figura 10. Muestra Centrifugada

La simulación consta de una planta que produce 100.000 Lts/día, con las

consideraciones pertinentes en cada caso. La simulación es realizada en Aspen Plus,

comenzando con la producción de harina.

En esta parte del proceso, lo que se desea hacer es producir harina a partir de papa

seca, con el fin de reducir su humedad y la actividad acuosa, parámetro principal al momento

de definir cuál va a ser el almacenamiento e inventario de la planta. Para la producción de

harina, en la primera etapa de proceso, se inicia con el lavado de la materia prima, debido a

que esta llegará con tierra y otros contaminantes. Por medio de una banda transportadora, se

llevará a cabo el proceso de pelado, en la que se removerá la cascara para ayudar en el

incremento del área superficial al momento de secado. La muestra sale hacia otra banda

transportadora que llevará el producto hacia el cortador. Este equipo contiene unas cuchillas


60

usadas de manera neumática para generar el corte de la papa, formando trozos de 5 a 10 mm.

Con el fin de incrementar el área superficial y reducir el tiempo de secado en el siguiente

proceso.

La papa cortada homogéneamente se introduce al secador, alimentados por medio de

una banda transportadora, este es un secador de bandejas, en el que se reduce el contenido

de humedad hasta un 15% aproximadamente con un tiempo de residencia de 120 minutos,

bajo condiciones de 70ºC, flujo de aire de 25 Km/hr, humedad del medio aproximada a 6%; con

estos valores, se logrará el secado mostrado anteriormente, superando la barrera de secado

constante y decreciente hasta el punto de 15% aproximadamente. La condición de la corriente

de salida del secador en cuanto a tamaño de partícula y reactividad del almidón no es la óptima

para alcanzar los rendimientos deseados en el proceso de licuefacción y fermentación

posteriores. Por esta razón se implementa una batería de molinos y tamices, cuya función será

disminuir el tamaño de partículas de la harina a 0.1 mm con un contenido de almidón

equivalente al 95% en peso. Se usa una distribución de equipos con 3 molinos y 3 tamices, ya

que esta es adecuada para los requerimientos del proceso de licuefacción.

La cantidad de harina que entra al primer molino es de 329 toneladas por día,

suministrando a la siguiente etapa 309 toneladas de almidón al 90%. En el diagrama 16 se

puede observar como puede ser un arreglo de la cantidad de molinos (M) y tamices (T) para

lograr una separación aceptable. El anexo 1 permite observar como es el proceso en esta zona

de generación de harina, los equipos y flujos utilizados. Según estos resultados, se puede

comparar la calidad de la harina obtenida experimentalmente con la simulada, ya que su

tamaño es similar, la humedad tiene unas características similares. Preliminarmente, se puede

concluir que con 345 ton/día de papa, se obtienen 105.000 Lts/día, o una relación de 3.3 Kg de

Papa/ Lt de Etanol producido. En la experimentación realizada se necesitan 2.4 Kg de papa/Lt

de etanol, lo que implica que la simulación realizada genera mayor desperdicio y no se

aprovecha correctamente el etanol generado, posiblemente por el tipo de separación usado o

por las condiciones de reacción trabajadas. Esto se corrobora con los resultados en la industria

con bioetanol a partir de yuca, que trabaja con 5,4 kg de yuca/Lt etanol (Arias, 2006).

Diagrama 16. Potencia en los Molinos

La siguiente parte del proceso es la zona de reactores, donde se lleva a cabo la

hidrólisis y la fermentación. La licuefacción es realizada en el reactor batch (R-201) con un

tiempo de residencia de 2.5 horas aproximadamente. La alimentación a este reactor es


61

aproximadamente 10750 kg/hr de harina, como se puede observar en el flujo 22. Esta materia

contiene aproximadamente un 90% de harina y 10 % de agua y otros sólidos, los cuales no

afectan en gran proporción la reactividad de esta materia en el reactor Las condiciones de

entrada son de 25 °C a 1 atm. El anexo 2 permite dar una idea de cómo se simulo esta

sección, con las condiciones de los flujos.

La reacción es llevada a cabo a condiciones de pH 5.5 y temperatura 80°C. Al reactor

entra una mezcla caliente de los flujos 23, 25, 28 las cuales llevan 10750 kg/hr de harina de

papa, 3.9 kg/hr de la enzima α-Amilasa, y 43000 kg/hr de agua respectivamente; la cuál es

mezclada con la corriente 30, procedente de una recirculación del flujo líquido, resultante de

una filtración posterior con una cantidad de agua reutilizable. Los flujos de entrada, 22, 24, 26

son manipulados por las válvulas V-201, V-202, V-203 controlando los tiempos de reacción en

el equipo (Reactor batch) y los efectos de seguridad, limpieza y mantenimiento de la zona. La

reacción con el avance definido anteriormente, se transforma en una relación estequiométrica

1:1 en dextrinas. Los flujos usados anteriormente tienen como fin generar una relación Sustrato

- Solución de 200 gr/Lt (10750 kg/hr de harina y 43000 kg/hr de agua) y una relación Enzima –

Sustrato de 1gr/Kg (3.9 Kg/hr de Amilasa). El ácido sulfúrico es usado para mantener el pH del

reactor.

Debido a esto, se debe realizar primero la gelatinización del almidón en el reactor,

denominado proceso de cocción, en esta parte el vapor utilizado como flujo de servicio, tiene el

propósito de intercambiar calor con el flujo hasta lograr la gelatinización reflejada como un

incremento en la viscosidad y mayor consumo en la potencia del motor del agitador, en este

punto se debe agregar la enzima, de aquí una de las funciones de la válvula V-202, puesta

como control en el proceso del reactor. La salida de este reactor (R-201) muestra una

transformación de almidón a dextrina del 88%. El calor neto utilizado por este reactor es de

0.0046 GW, utilizando vapor como flujo de servicio. También se usa la corriente 91 del área

300 con el fin de aprovechar esta energía e incrementar la temperatura del flujo 62 hasta 60°C.

El reactor tiene un volumen aproximado de 200 m3 por los requisitos y por convención utilizado

en el diseño de equipos.

El cambio de temperatura para este reactor (R-201) es mostrado en el diagrama 17,

donde se señala como es el comportamiento de la conversión con la temperatura. Se puede

observar que a medida que se incrementa la temperatura, aumenta la conversión, sin embargo

esto no es posible debido a que la reacción es llevada a cabo con enzimas, las cuales son

sensibles a cambios de temperatura y pH. Debido a esto, la restricción planteada propone que

hay una temperatura máxima a la cual es posible llevar a cabo la reacción de manera segura y

eficiente, esta es a 80°C; a temperaturas menores la actividad es menor en la enzima como se

observa en el resultado simulado, y a temperaturas mayores, se genera desactivación de la

enzima α-Amilasa. Comparado con los resultados de la experimentación, la temperatura que

da la mejor conversión tiene una diferencia del 10%, la simulada es a 80°C mientras que la

estudiada es 70°C, la diferencia puede ser dada por el tipo de enzima usada para hallar la


62

cinética, y de otras condiciones como el tipo de papa usada para hallar la velocidad de reacción

teórica. El tiempo de reacción es similar (Lim et al., 2002).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Con

vers

ión

Temperatura C

Reacción de Licuefacción

Conversión

%Actividad

Diagrama 17. Comportamiento Temperatura-Conversión-Actividad Relativa

La salida del reactor viene dada por el flujo 35, con una masa de 54088 Kg/hr, con las

fracciones molares de 0.00335 de Almidón, 0.97 de Agua, 0.0236 de Dextrinas, 4.4e-6 de α-

Amilasa y 0.0013 de ácido sulfúrico diluido. Se usarán una serie de intercambiadores de calor

que permiten optimizar el consumo energético, aprovechando la energía de las corrientes y

suministrándosela a otras, como se ven el intercambiador I-201 e I-203. En la tabla 14 (Anexo)

se pueden observar los flujos resultantes de la reacción de Licuefacción. La reacción de

licuefacción se ve afectada también por el tiempo de reacción, ya que se necesita una cantidad

de tiempo para lograr una conversión satisfactoria, esto se observa en la diagrama 18.

Con los resultados de la diagrama 18, se puede observar que el tiempo necesario para

llevar a cabo la reacción de licuefacción en el reactor R-201 es el suficiente para lograr una

conversión alta a dextrinas.


63

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Con

vers

ión

Tiempo Hr

Efecto del Tiempo en Conversión

Diagrama 18. Comportamiento de la conversión de Licuefacción con el tiempo

El proceso siguiente es la alimentación a los filtros (F-201, F-202, F-203) para poder

liberar parte de la carga de acidez y exceso de agua, que reducirá considerablemente la

eficiencia de la enzima glucoamilasa usada en la etapa siguiente. Se deben usar 3 filtros, lo

que justifica el uso del divisor D-201 La tabla 15 (Anexo) muestra los resultados de esta zona.

La filtración es realizada en filtros rotatorios de vacío. El objetivo de la separación es

proporcionar al flujo de entrada al siguiente reactor (R-202), una concentración de Sustrato –

Solución del 20%.

Las corrientes de salida de sólidos son los flujos 43, 46, 48 y las de líquido los flujos 45,

47, 49, con composiciones iguales para los 3 flujos de líquido y sólido, encontrándose en mayor

proporción el agua debido al flujo introducido en el primer reactor. Luego del proceso de

filtración, las corrientes de líquido de los filtros son llevadas a un mezclador (M-204), al igual

que las corrientes de sólidos a otro mezclador (M-203). Estas corrientes continúan al siguiente

proceso, donde se encuentra el reactor de sacarificación y fermentación (R-202), el flujo 51 se

dirige hacia la zona del reactor (R-202), mientras que el flujo 50 es reutilizado en la

alimentación del reactor R-201 para el proceso de licuefacción.

La etapa de reacción de Sacarificación y Fermentación se lleva a cabo en una sola

unidad de proceso (R-202). Este será alimentado mediante la bomba B-203. Este reactor

trabaja a 30°C, y 1 atm, tiene una agitación suave continua para poder reducir la viscosidad y

homogenizar la concentración de enzimas en todo el reactor. Este reactor funciona con las

enzimas glucoamilasa (Flujo 55) y la levadura Saccharomyces Cerevisiae (Flujo 53).el reactor

funciona con 2 reacciones en serie, a condición de 30°C y pH=4.5. Se presenta también


64

generación de vapor, debido al equilibrio que tiende a generar el CO2 por las consecuencias de

la reacción dentro de la misma. La estequiometria de la reacción es de 2:1. Esta es la reacción

de mayor importancia dentro del proceso, ya que es la que tiene mayor tendencia a generar

contaminación, y el correcto funcionamiento de la levadura depende de la relación sustrato –

solución entre el 15 y 20%, siendo esta la razón de separar el agua usada en el reactor anterior

con los filtros F-201, F-202, F-203. También se debe tener precaución con la generación del

etanol, ya que este inhibe de forma no competitiva la producción del mismo; el nivel aceptado

es de 110 gr/lt y con lo observado en el flujo 67, salida del fermentador, produce un valor de

108 gr/Lt, nivel aceptable para la reacción. El pH debe ser controlado con la adición de ácido

sulfúrico en la corriente 57, de tal forma que mantenga el valor a 4.5. Los flujos de las enzimas

y de ácido son controlados mediante las válvulas V-204, V-205 y V-206 para los flujos 53, 55,

57 respectivamente (Seider et al., 1986).

Las reacciones fueron llevadas en un 90% de conversión en ambos casos. La

generación de vapores es importante tenerlo en cuenta para condiciones de seguridad por los

vapores de ácido posiblemente generados. También se muestra una fracción de vapor mayor,

gracias a la generación de CO2 y la interacción con el agua, el alcohol y el ácido sulfúrico. La

tabla 16 (Anexo) muestra los resultados de este reactor. Cabe anotar que las enzimas

utilizadas en esta reacción son de otras especificaciones, y también funcionan a otros valores,

es por esto que se puede mezclar la fermentación con la sacarificación (Riaz et al., 2007) (Lim

et al., 2007) (Kroumov et al., 2005).

En el diagrama se muestra el comportamiento de la conversión respecto al tiempo de

reacción, parámetro de gran relevancia para permitir la conversión esperada al final.

Observándose, que a un tiempo de 48 horas de reacción se logra una conversión del 94%

aproximadamente. En la tabla 17 (Anexo) se pueden observar la cinética de las reacciones. La

diferencia de temperatura es amplia, debido a que se uso una enzima modificada usada

especialmente para este tipo de industria con el fin de aprovechar la reacción de sacarificación

y fermentación al tiempo, por lo que las condiciones de trabajo son distintas.


65

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Con

vers

ión

-Act

ivid

ad

Temperatura C

Reacción de Sacarificación ‐ Fermentación

Conversión

%A(s) Glucoamilasa

%A(s) Saccharomyces

Diagrama 19. Comportamiento de Conversión con Temperatura

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20 25 30

Con

vers

ión

Tiempo Hr

Conversión Vs Tiempo

Diagrama 20. Comportamiento de la conversión con el tiempo (Fermentación)

En la generación del producto glucosa, se produce el etanol a partir del flujo 66,

encontrándose un 12% de etanol en la mezcla total. Esta eficiencia global del proceso es baja y

por tanto se requiere un tren de separación para lograr su concentración hasta el valor


66

deseado. En esta zona de reacción se aplican 2 intercambiadores de calor con flujos internos y

otros 2 a cumplir con las especificaciones de redes de intercambio de calor.

El siguiente proceso, es la separación del CO2 generada por la reacción de

fermentación. Para esto, se utiliza un separador flash (G-201), en donde el flujo 61 contiene la

mezcla rica en CO2 con una cantidad de etanol (0.043 fracción molar), que debe ser

recuperada y recirculada al fermentador para evitar pérdidas. El otro flujo lleva el porcentaje

restante de etanol generado y la mayor parte de agua del efluente del reactor (flujo 67). Se ha

simulado una torre de despojamiento, que permite recuperar el etanol separado de la torre

flash y recircularlo al reactor R-202 (flujo 72). El flujo de desecho contiene una cantidad mínima

de etanol, generando pérdidas de aproximadamente 27 Kg/día, un valor bajo comparado con el

resultante y el requerido. Por otro lado, el CO2 se encuentra muy concentrado y puede tratarse

para obtenerse puro. Los resultados de los flujos que inciden en esta zona del proceso son

mostrados en la tabla 18 (Anexo) (Seider et al., 1986).

El proceso sigue con la filtración para separar los sólidos de la parte acuosa que

contendrá la mayor cantidad de etanol en el proceso. Para ello, se utiliza un divisor (D-202),

que reparte los flujos en 3. En este caso se utilizaron tres filtros a vacío (F-204, F-205, F-206)

con un diámetro de 2m y un ancho de 0.6m, debido al ancho de la torta (0.1 mm), igual al

anterior. La tabla 19 (Anexo) permite observar los resultados obtenidos de los flujos del

proceso que alimenta a los trenes de separación.

El flujo de interés, que se dirige hacia la zona de destilación (C-301), es el flujo 83 que

contiene aproximadamente 12% en masa de etanol y el resto es agua y glucosa, las cuales

serán separadas como vinazas en el siguiente proceso y serán utilizadas como corrientes para

el intercambio de calor en esta zona. El anexo 3 permite ver la configuración de esta zona para

la simulación y una parte que permite entender el desarrollo de los tamices moleculares.

La siguiente zona del proceso, son los trenes de separación, en esta las variables a

tener en cuenta en el diseño de torres de destilación, se clasifican en: variables de construcción

y variables de operación. Las primeras, hacen referencia a numero de etapas del equipo de

destilación y la etapa en la cual se alimenta la mezcla a separar; las segundas, toman en

cuenta flujos de componentes al interior de la torre (relacionados de forma directa con el

reflujo), presión de la columna y cargas energéticas de re-hervidor y condensador.

El primer paso es observar la influencia que tiene la cantidad de etapas en la primera

destilación sobre la calidad del producto de cima (concentración de etanol), observado en el

diagrama 21.


67

76

76.5

7777.5

7878.5

79

79.580

80.581

81.5

8282.5

83

0 5 10 15 20 25 30 35

% etOH

Etapa de alimentacion

% etOH segun numero de etapas y etapa de alimentacion

40

30

20

Diagrama 21. Efecto del # de etapas sobre la calidad del producto.

La siguiente definición es buscar cómo afecta la alimentación del vapor vivo en la zona

del rehervidor. Esta es utilizada de tal manera que intercambie calor con los componentes del

fondo de la torre y permita transferir la energía necesaria para llevara a cabo la separación. La

comparación es observada en el diagrama 22.

79

79.4

79.8

80.2

80.6

81

81.4

81.8

82.2

82.6

83

70 80 90 100 110 120 130

% etOH

Vapor vivo (ton/dia)

C‐301. % etOH segun alimento de vapor vivo

40 etapas/ alimento 30

30 etapas/alimento 20

20 etapas/alimento 15

Diagrama 22. Efecto flujo de vapor en el Rehervidor a varias etapas.

La relación de reflujo, otro parámetro determina qué tanto destilado será recirculado a

la torre para entregar material de contacto al vapor ascendente por la zona de enriquecimiento.


68

Variaciones en éste valor afectan directamente la cantidad de energía requerida por la torre

para garantizar la separación. En el diagrama 23 se puede apreciar el efecto del reflujo sobre la

pureza del producto.

67

68.5

70

71.5

73

74.5

76

77.5

79

80.5

82

1 1.5 2 2.5

% etOH

Reflujo

C‐301. % etOH segun variacion de reflujo

40 etapas/ alimento 30/Vapor vivo 80

30 etapas/alimento 20/Vapor vivo 80

20 etapas/alimento 15/Vapor vivo 80

Diagrama 23. Variación del reflujo.

Debido a las variaciones realizadas anteriormente, se puede definir que la mejor

condición para la primera torre (C-301) es utilizar 30 etapas, alimentando en la etapa 20, con

una tasa de reflujo de 2.2, usando vapor vivo en el rehervidor con 80 ton/día y obteniendo un

destilado de 80.17% de etanol.

De la misma manera que el procedimiento anterior, se decide utilizar para la siguiente

torre de destilación, ya que aun no se ha logrado el etanol anhídrido total, o al menos el

azeótropo para utilizar una deshidratación, es de una torre (C-302) con 50 etapas, alimentando

en la 25, usando un reflujo de 2.5 y obteniendo una conversión de 84.32%, el cambio es

mínimo, pero permite saber que al acercarse al azeótropo se hace más difícil obtener un

producto puro. Finalmente se puede utilizar una tercera torre de destilación con las mismas

condiciones para acercarse al azeótropo, ubicado a 90% de concentración de etanol

aproximadamente. Una torre con las mismas especificaciones que la segunda torre (C-302)

permite una concentración final de 85.7%, estas dos últimas usan un rehervidor en lugar de

vapor como es hecho en la torre C-301. Debido a la alta concentración de agua en el etanol, se

debe continuar con la deshidratación, para esto se usa un equipo de tamices moleculares,

como se observa en la figura 12 (Anexos). El cual permite concentrar el etanol a anhídrido, se

obtendrán 3.5 ton/hr de etanol o 105.000 Lts/día de etanol, generando en fondos 0.88 ton/hr de

agua, en el cual puede usarse una recirculación para recuperar todo el agua y reducir costos.


69

h. Establecimiento del Procedimiento


70


71


72


73

6. CONCLUSIONES

• Las propiedades de la papa, cenizas y humedad, indican que el proceso de obtención de

etanol necesita de una transformación de la materia prima para poder aprovecharla mejor

por esto se hace secado y harina.

• La obtención de almidón como un proceso rudimentario tiene bastantes complicaciones,

debido a su bajo rendimiento, necesita emplear otros procedimientos para obtener mayor

eficiencia.

• El tiempo de secado es proporcional al estado de madurez de la papa después de superar

cierto nivel en tiempo de crecimiento de materia seca.

• La condición para preservar la calidad de la harina es mantener la temperatura en el

secador, un tiempo de residencia correcto del aire, para dar una remoción de humedad

proporcional.

• La gelatinización permite realizar la reacción de hidrólisis de manera correcta.

• El estudio de la α-amilasa permite saber que el rango de trabajo de esta enzima es a 70°C

o mayor y un pH variable entre 5 y 5.5, sin embargo este resultado se ve restringido por el

error estadístico manejado.

• Los resultados de la glucoamilasa conllevan a que se debe trabajar a 50°C y un rango de

pH entre 4 y 4.5, para lograr la mayor producción de glucosa y azucares reductores de bajo

grado de polimerización.

• La comparación entre la glucoamilasa y la α-amilasa permite decidir que la mejor enzima,

es la glucoamilasa, si se observa como posibilidad en cuanto a costos directos de insumos

para la compra de la α-amilasa. Se podría elegir también la α-amilasa por la alta

producción de azucares no reductores en un bajo tiempo, pero se estaría sacrificando la

fermentación.

• La productividad es mayor con la reacción en serie de la α-amilasa y la glucoamilasa por

10 horas, continuado con la fermentación del proceso por 50 horas.

• La fermentación lograda con la mezcla en serie de la α-amilasa con la glucoamilasa es la

que genera mejor conversión manteniendo las variables fijas para ambos casos

estudiados.

• A manera industrial, se obtendrá el bioetanol a partir de la papa con una relación inicial de

1 Litro de alcohol por 5 a 8 Kg (5,4 kg) de papa usados (IICA, 1984).

• Los resultados de la simulación permiten concluir que necesita una relación de 3.3 Kg por

Lt de etanol producido, mientras que el proceso de experimentación necesita 2,4 Kg/Lt de

etanol, diferencia generada por el desperdicio manual.

• Las condiciones simuladas muestran un comportamiento distinto de la temperatura y el

tiempo de reacción, ya que se tiene en cuenta la actividad de la enzima y la cinética de la

reacción, el máximo de conversión es a 80°C para la α-amilasa y de la fermentación es a

30°C, mezclando la glucoamilasa en este proceso.

• La destilación simulada presenta una torre de mas que la utilizada en la industria, presenta

una cantidad de platos similar, y la concentración final no es la misma, posiblemente la


74

elección del tipo de plato y la hidráulica de la torre no es la apropiada para lograr la mejor

separación.


75

7. BIBLIOGRAFIA

Arias, Andres. (2006), Los Biocombustibles en Colombia, Ministerio de Agricultura, Colombia Aristizabal, Johanna y Sanchez Teresa (2007), Guía técnica para producción y análisis de almidón de yuca. Bourne Joel. Sueños Verdes, Revista National Geographic, 2007. C. Brandama, X.M. Meyer, J. Proth, P. Strehaiano, H. Pingaud. An original kinetic model for the enzymatic hydrolysis of starch during mashing, 2002. Biochemical Engineering Journal, Science Direct. Chang Min-Yun, Ruey-Shin Juang. Activities, stabilities, and reaction kinetics of three free and chitosan–clay composite immobilized enzymes, 2004. Enzyme and Microbiological Technology, Science Direct. CIAT, Cali, Colombia, Simposio Colombiano Sobre Alcohol Carburante, Editor Trudy Brekelbaum, 1980 Culzat Enrique, Impacto económico del alcohol carburante en proveedores de caña de azúcar del Valle del Cauca, Editorial Uniandes 2005 Fogler H. Scott. Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas. 3er Edición, 2001. Geankoplis, Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias, 3ra Edición, 1998 Gonzales Jorge, Estudio de los factores que afectan la Hidrólisis enzimática y el proceso fermentativo para la producción de Bioetanol, ISSN: 1409-2441, 2006. IICA (Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura, OLADE (Organización Latinoamericana de la Energía) y GEPLACEA (Grupo de Países Latinoamericanos y del Caribe Exportadores de Azúcar), Experiencia y Perspectiva en América Latina sobre Alcohol Carburante, Editor Mario Compodornico, 1984 Kroumov Alexander Dimitrov, Modenes Aparecido Nivaldo, Tait Maicon de Araujo. Development of new unstructured model for simultaneous Saccharification and fermentation of starch to ethanol by recombinant strain, Biochemical Engineering Journal, Science Direct, 2005. Jamai Latifa, Ettayebi Khalil, Yamani Jamal El and Ettayeb Mohamed, Production of ethanol from starch by free and immobilized Candida tropicalis in the presence of α-amylase, 2007, www.sciencedirect.com Ley 693 del 2001, www.secretariasenado.gov.co/leyes/L0693001.HTM Lim Leng Hong, Macdonald Douglas, Hill Gordon, Hydrolysis of starch particles using immobilized barley α-amylase, Biochemical Engineering Journal, Science Direct, 2002. Ronghou Liu and Fei Shen (2007), Impacts of main factors on bioethanol fermentation from stalk juice of sweet sorghum by immobilized Saccharomyces cerevisiae (CICC 1308), Bioresource Technology, science direct. Mancheno, Jose Gnecco. Situación de la producción de Etanol en Colombia. 2006, Sucromiles. McWilliams, Margaret (2005), Experimental foods laboratory manual / by Margaret McWilliams. Matissek, Reinhard (1998), Análisis de los alimentos: fundamentos, métodos, aplicaciones.


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77

8. GLOSARIO

• Biocombustible: Carburante obtenido a partir de biomasa, con la propiedad que es

renovable, es decir que el CO2 producido durante su combustión es utilizado por las

plantas directamente y no es un exceso del mismo.

• Bioetanol: es un subproducto de los combustibles, es producido a partir de la fermentación

de los azucares en forma de glucosa y fructosa obtenidos de la caña, del almidón y de la

celulosa.

• Motor de Otto: este es el tipo de motor que se usa normalmente en los automóviles, es un

ciclo termodinámico con el aprovechamiento de la energía liberada por la combustión de

los combustibles.

• Biomasa: es aquella materia prima usada que contiene grandes cantidades de azúcar que

pueden ser transformadas a combustible, es el caso de la caña de azúcar, los almidones y

la celulosa.

• Hidrólisis: Proceso en el cual se rompen las cadenas largas de almidón haciéndolas más

corta, generando las dextrinas, unidades pequeñas poliméricas de glucosa.

• Destilación: proceso en el cual se separan el etanol de agua mediante la adición de energía

y los principios de equilibrio.

• Azeótropo: composición a la cual no se puede separar más agua de etanol debido a que

ambos componentes tienen el mismo punto de ebullición, para esto se deben usar

componentes externos o agentes deshidratantes para lograr la separación.

• Licuefacción: formación de cadenas biopoliméricas de menor longitud conocidas como

dextrinas, a partir de almidón con acción de la enzima α-Amilasa.

• Fermentación: proceso en el cual se transforma la azúcar o glucosa en alcohol mediante la

acción de las enzimas o levadura.

• Sacarificación: procedimiento en el que se recortan los polímeros del almidón o celulosa

(encontrado en los residuos orgánicos) para lograr obtener los azucares simples y

disponerlos en la fermentación.

• Harina: proceso hecho a la papa o cualquier alimento que contenga almidón, en el cual se

seca el alimento y se muele para obtener un polvo denominado de esta forma, se hace

este proceso para reducir la actividad acuosa dentro del mismo.

• Enzima: compuesto que permite la transformación de los reactivos de manera eficiente, en

este caso se usa la levadura y las amilasas para lograr la transformación del azúcar y la

hidrólisis respectivamente.

• Cuba: recipiente en el que se agregan los inóculos de enzimas para su reproducción y su

funcionamiento.

• Balance Energético: procedimiento hecho para observar la viabilidad de un proceso en

cuanto al balance energético y el uso de los subproductos dentro del mismo.

• Amilosa: Parte lineal del almidón, tiene gran solubilidad en el agua y es el primero en

gelatinizarse.


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• Amilopectina: parte ramificada del almidón, da las propiedades al gel, incremento de

viscosidad e hinchamiento de sus cadenas con el incremento debido de temperatura.

• Gelatinización: proceso de formar un gel al incrementar la temperatura sobre una solución

de almidón agitado, generando hinchamiento en los enlaces ramificados del almidón y

aumento abrupto de viscosidad.

• Gelificación: Formación de gel a partir de proteínas como polímeros peptídicos,

adicionando un solvente u otro compuesto que genere el hinchamiento de las cadenas y

formación de un gel.


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9. ANEXOS Anexo 1. Figura 14. Área de producción de Harina simulada.


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Corriente Yuca 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Flujo total kg/hr 30428,5714 11,9891928 1474,67072 28965,8899 11,9891928 1474,67072 27503,2084 11,9891928 1474,67072 27507,1976 25 15698,8676Flujo molar kmol/hrDEXTR‐01 SILIC‐01 flujo masico kg/hrDEXTR‐01 SILIC‐01 Flujo total kmol/hrTemperatura C 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 70 50Presion bar 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02Fraccion solidosDensidad mol/cc Promedio MWPSD

1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0,1790577 0,1790577 0,17905775 0,1790577 0,1790577 0,17905776 0,3581154 0,3581154 0,35811547 0,2136125 0,2136125 0,21361258 0,0345547 0,0345547 0,03455479 0,0345547 0,0345547 0,034554710 1 1 0,00104711 1 0,00104711 1 0,00104711


81

Corriente 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22Flujo total kg/hr 11833,33 11833,33 280,7923 11552,54 11552,54 6174,652 5377,889 5377,889 1062,29 4315,599 10771,04Flujo molar kmol/hr DEXTR‐01 58,80541 58,80541 1,395389 57,41002 57,41002 30,68476 26,72527 26,72527 5,279019 21,44625 53,5264SILIC‐01 20,62246 20,62246 0,4893488 20,13311 20,13311 10,76083 9,372279 9,372279 1,851298 7,520981 18,77116flujo masico kg/hr DEXTR‐01 10594,25 10594,25 251,3901 10342,86 10342,86 5528,095 4814,762 4814,762 951,0558 3863,706 9643,191SILIC‐01 1239,086 1239,086 29,40218 1209,684 1209,684 646,557 563,1268 563,1268 111,234 451,8929 1127,852Flujo total kmol/hr 79,42787 79,42787 1,884738 77,54313 77,54313 41,44559 36,09755 36,09755 7,130317 28,96723 72,29756Temperatura C 318 318 318 318 318 318 318 318 318 318 318Presion bar 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02Fraccion solidos 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1Densidad mol/cc 0,0105001 0,0105001 0,0105001 0,0105001 0,0105001 0,0105001 0,0105001 0,0105001 0,0105001 0,0105001 0,0105001Promedio MW 148,9821 148,9821 148,9821 148,9821 148,9821 148,9821 148,9821 148,9821 148,9821 148,9821 148,9821PSD

1 0 0,0002652 0,00297582 0,00019932 0,151997 0,2417236 0,0489769 0,3278372 0,1012411 0,3836141 0,29235052 0 0,00013999 0,0012625 0,00011271 0,0806767 0,1283016 0,0259959 0,1681952 0,0519412 0,1968112 0,15243933 0 0,00011591 0,00077186 9,9962E‐05 0,0670636 0,1066526 0,0216094 0,1362589 0,0420788 0,1594415 0,12504314 0,1790577 0,1790521 0,7398847 0,1654206 0,1733164 0,2756282 0,0558465 0,1294694 0,0399821 0,1514967 0,23799575 0,1790577 0,1790141 0,2551051 0,1771647 0,1557512 0,247694 0,0501866 0,0928408 0,0286706 0,1086364 0,19217146 0,3581154 0,3578947 0 0,3665936 0,2351348 0 0,505106 0,0989029 0,5007007 0 07 0,2136125 0,2134363 0 0,218624 0,1130572 0 0,2428645 0,0396245 0,200601 0 08 0,0345547 0,0345224 0 0,0353615 0,015143 0 0,0325296 0,00562967 0,0285004 0 09 0,0345547 0,0345135 0 0,0353524 0,00769923 0 0,0165391 0,00124124 0,00628383 0 0

10 0,00104712 0,00104569 0 0,0010711 0,00016067 0 0,00034513 0 0 0 0


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Anexo 2.Figura 15. Area de Reactores para producir bioetanol Simulado.


83

Flujo 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36Temperatura °C 25 25 25 25 25 25.4 25.4 25.4 80 50 25.4 43.5 60.2 80 70Presión bar 1.013 1.013 1.013 1.013 1.216 1.216 1.013 1.013 1.216 1.115 1.216 1.216 1.115 1.013 1.216Fracción Vapor 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Flujo molar kmol/hr 66.3 66.3 0.011 0.011 2373.612 2391.2 2391.2 2457.511 17.588 2457.511 2457.511 2457.511 2457.511 2457.511 2440.701Flujo másico kg/hr 10750 10750 3.9 3.9 43015.6 43334.343 43334.343 54088.243 318.743 54088.243 54088.243 54088.243 54088.243 54088.243 53858.808Flujo volumétrico cum/hr 7.028 7.028 0.002 0.002 43.231 43.57 43.57 50.598 0.339 51.678 50.599 51.384 52.152 52.188 51.423Entalpía Mmkcal/hr ‐15.519 ‐15.519 0 0 ‐162.349 ‐163.535 ‐163.535 ‐179.054 ‐1.186 ‐177.979 ‐179.054 ‐178.269 ‐177.516 ‐173.573 ‐172.852Fracción molarAlmidón 1 1 0 0 0 0 0 0.02697852 0 0.02697852 0.02697852 0.02697852 0.02697852 0.00335502 0.00337813Agua 0 0 0 0 0.99866153 0.99866176 0.99866176 0.97171488 0.99869229 0.97171488 0.97171488 0.97171488 0.97171488 0.97171488 0.97121073Acido Sulfúrico 0 0 0 0 0.00133805 0.00133824 0.00133824 0.00130213 0.00136457 0.00130213 0.00130213 0.00130213 0.00130213 0.00130213 0.00131069a‐Amilasa 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0236235 0.0237862Dextrinas 0 0 1 1 0 0 0 4.4761E‐06 0 4.4761E‐06 4.4761E‐06 4.4761E‐06 4.4761E‐06 4.4761E‐06 4.5069E‐06Glucoamilasa 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.00017577Saccharomyces Cereviciae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.00013357Glucosa 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Etanol 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0CO2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Flujo 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53Temperatura °C 80 35 80 80 80 80 80 55 80 80 80 80 80 80 80 80 25Presión bar 1.216 1 1.115 1.115 1.115 1.115 1.115 1 1.115 1.115 1.115 1.115 1.115 1.013 1.013 1.52 1.013Fracción Vapor 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Flujo molar kmol/hr 2440.701 2040.236 2457.511 810.979 810.979 835.554 805.175 2040.236 5.804 805.175 5.804 829.574 5.98 17.588 2439.923 2439.923 0.743Flujo másico kg/hr 53858.808 45359.235 54088.243 17849.12 17849.12 18390.003 17743.935 45359.235 105.185 17743.935 105.185 18281.63 108.373 318.743 53769.5 53769.5 84.913Flujo volumétrico cum/hr 51.915 44.284 52.188 17.222 17.222 17.744 17.11 45.25 0.112 17.11 0.112 17.628 0.115 0.339 51.849 51.85 0.063Entalpía Mmkcal/hr ‐172.389 ‐149.524 ‐173.572 ‐57.279 ‐57.279 ‐59.015 ‐56.888 ‐148.739 ‐0.391 ‐56.888 ‐0.391 ‐58.611 ‐0.403 ‐1.186 ‐172.386 ‐172.385 0Fracción molarAlmidón 0.00337813 0 0.00335502 0.0033552 0.0033552 0.00335466 0.00337939 0 0 0.00337939 0 0.00337884 0 0 0.0033792 0.0033792 0Agua 0.97121073 0.94256694 0.97171488 0.97171443 0.97171443 0.97171458 0.97152048 0.94256694 0.99862164 0.97152048 0.99862164 0.97152032 0.99866221 0.99869229 0.97152041 0.97152041 0Acido Sulfúrico 0.00131069 0 0.00130213 0.00130213 0.00130213 0.00130213 0.00130158 0 0.00137836 0.00130158 0.00137836 0.00130187 0.00133779 0.00136457 0.00130168 0.00130168 0a‐Amilasa 0.0237862 0 0.0236235 0.0236233 0.0236233 0.02362385 0.02379359 0 0 0.02379359 0 0.02379414 0 0 0.02379378 0.02379378 0Dextrinas 4.5069E‐06 0 4.4761E‐06 4.9323E‐06 4.9323E‐06 4.7872E‐06 4.9679E‐06 0 0 4.9679E‐06 0 4.8218E‐06 0 0 4.5083E‐06 4.5083E‐06 0Glucoamilasa 0.00017577 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.56123822Saccharomyces Cereviciae 0.00013357 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.43876178Glucosa 0 0.01943403 0 0 0 0 0 0.01943403 0 0 0 0 0 0 0 0 0Etanol 0 0.03799904 0 0 0 0 0 0.03799904 0 0 0 0 0 0 0 0 0CO2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0


84

Flujo 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70Temperatura °C 25 25 25 25 25 80 70.9 60 50 85 55 46.6 35 30 60 60 126.4Presión bar 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.216 1.115 1.115 1.216 1.115 1.013 1.115 1.013 0.507 0.507 1.013Fracción Vapor 0 0 0 0 0 0 0 0.036 0.029 0 0 0.029 0 0.021 0 1 1Flujo molar kmol/hr 0.743 0.012 0.012 0.023 0.023 2440.701 2040.236 2609.333 2609.333 2040.236 2440.701 2609.333 2440.701 2609.333 2435.093 174.24 174.24Flujo másico kg/hr 84.913 2.14 2.14 2.256 2.256 53858.808 45359.235 56178.054 56178.054 45359.235 53858.808 56178.054 53858.808 56178.054 50170.138 6007.916 6007.916Flujo volumétrico cum/hr 0.063 0.002 0.002 0.001 0.001 51.915 46.068 2381.611 1885.405 46.836 50.716 2033.585 49.824 1416.685 51.815 9526.367 5712.71Entalpía Mmkcal/hr 0 0 0 ‐0.004 ‐0.004 ‐172.39 ‐148.094 ‐183.225 ‐183.818 ‐147.501 ‐173.529 ‐183.988 ‐174.399 ‐184.858 ‐169.538 ‐13 ‐12.881Fracción molarAlmidón 0 0 0 0 0 0.00337813 0 0.00315981 0.00315981 0 0.00337813 0.00315981 0.00337813 0.00315981 0.00338591 0 0Agua 0 0 0 0 0 0.97121073 0.94256694 0.91267309 0.91267309 0.94256694 0.97121073 0.91267309 0.97121073 0.91267309 0.95094725 0.37777204 0.37777204Acido Sulfúrico 0 0 0 1 1 0.00131069 0 0.00122598 0.00122598 0 0.00131069 0.00122598 0.00131069 0.00122598 0.00131371 0 0a‐Amilasa 0 0 0 0 0 0.0237862 0 0.00125166 0.00125166 0 0.0237862 0.00125166 0.0237862 0.00125166 0.00134122 0 0Dextrinas 0 0 0 0 0 4.5069E‐06 0 4.2156E‐06 4.2156E‐06 0 4.5069E‐06 4.2156E‐06 4.5069E‐06 4.2156E‐06 4.5173E‐06 0 0Glucoamilasa 0.56123822 1 1 0 0 0.00017577 0 0.00016441 0.00016441 0 0.00017577 0.00016441 0.00017577 0.00016441 0.00017617 0 0Saccharomyces Cereviciae 0.43876178 0 0 0 0 0.00013357 0 0.00012494 0.00012494 0 0.00013357 0.00012494 0.00013357 0.00012494 0.00013388 0 0Glucosa 0 0 0 0 0 0 0.01943403 0.00400754 0.00400754 0.01943403 0 0.00400754 0 0.00400754 0.00429429 0 0Etanol 0 0 0 0 0 0 0.03799904 0.04340535 0.04340535 0.03799904 0 0.04340535 0 0.04340535 0.0364019 0.14128214 0.14128214CO2 0 0 0 0 0 0 0 0.03398263 0.03398263 0 0 0.03398263 0 0.03398263 0.00200074 0.48094582 0.48094582 Flujo 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 91Temperatura °C 126.4 ‐88.5 83.9 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 85Presión bar 1.013 1.013 1.115 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013Fracción Vapor 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Flujo molar kmol/hr 174.24 83.82 90.42 2435.093 803.581 803.581 827.931 795.922 7.659 795.922 7.659 820.041 7.89 2411.886 23.207 2040.236Flujo másico kg/hr 6007.916 3688.852 2319.064 50170.138 16556.146 16556.146 17057.847 15838.432 717.714 15838.432 717.714 16318.384 739.463 47995.247 2174.891 45359.235Flujo volumétrico cum/hr 5712.71 2.896 2.849 51.817 17.1 17.1 17.618 16.617 0.483 16.617 0.483 17.12 0.498 50.353 1.463 46.836Entalpía Mmkcal/hr ‐12.881 ‐8.298 ‐6.01 ‐169.537 ‐55.947 ‐55.947 ‐57.643 ‐54.872 ‐1.075 ‐54.872 ‐1.075 ‐56.535 ‐1.107 ‐166.28 ‐3.257 ‐147.501Fracción molarAlmidón 0 0 0 0.00338591 0.00338609 0.00338609 0.00338555 0 0.35526831 0 0.35526831 0 0.35525982 0 0.35528073 0Agua 0.37777204 4.7721E‐05 0.72792524 0.95094725 0.95094707 0.95094707 0.9509476 0.95576702 0.45005875 0.95576702 0.45005875 0.95576685 0.45019011 0.95576615 0.45012281 0.94256694Acido Sulfúrico 0 0 0 0.00131371 0.00131412 0.00131412 0.00131412 0.00132048 0.00065283 0.00132048 0.00065283 0.00132067 0.00063371 0.00132054 0.00060327 0a‐Amilasa 0 0 0 0.00134122 0.0013415 0.0013415 0.00134069 0 0.14074945 0 0.14074945 0 0.14068441 0 0.1407334 0Dextrinas 0 0 0 4.5173E‐06 4.9777E‐06 4.9777E‐06 4.8313E‐06 0 0.00052226 0 0.00052226 0 0.00050697 0 0.00047399 0Glucoamilasa 0 0 0 0.00017617 0.00017671 0.00017671 0.00017634 0 0.01854028 0 0.01854028 0 0.01850444 0 0.0184858 0Saccharomyces Cereviciae 0 0 0 0.00013388 0.0001344 0.0001344 0.00013407 0 0.01410106 0 0.01410106 0 0.01406844 0 0.01404749 0Glucosa 0 0 0 0.00429429 0.00429453 0.00429453 0.00429384 0.00431575 0.00208905 0.00431575 0.00208905 0.00431564 0.00202788 0.00431612 0.00202525 0.01943403Etanol 0.14128214 0.00029826 0.27197523 0.0364019 0.03640206 0.03640206 0.03640158 0.0365865 0.01723463 0.0365865 0.01723463 0.03658598 0.01723701 0.03658631 0.01723618 0.03799904CO2 0.48094582 0.99966595 8.8476E‐05 0.00200074 0.00200104 0.00200104 0.00200017 0.00201025 0.00091396 0.00201025 0.00091396 0.00201088 0.0008872 0.00201087 0.00094799 0


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Anexo 3.Figura 16. Trenes de Separación para producir bioetanol Simulado.


86

Flujo 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96Temperatura ºC 92,9 78,8 105 78,2 78,3 78,2 78,2 55 92,9 92,9 150 78,2 122,2 78,2Presión bar 1,115 1,013 1,216 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,115 1,115 1,013 1,013 1,013 1,013Fracción Vapor 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0Flujo Molar Kmol/hr 2525,893 162,422 2363,471 131,927 14,659 117,038 14,889 2525,893 2525,893 2525,893 404,75 154,301 8,121 146,586Flujo másico Kg/hr 50000,112 7383,459 42616,652 5660,064 595,641 5391,837 268,227 50000,112 50000,112 50000,112 7291,683 6547,656 835,804 6255,705Flujo Volumétrico cum/hr 55,726 9,676 46,721 7,882 0,82 7,625 0,285 53,306 55,726 55,726 14053,041 9,096 0,668 8,702Entalpía MMkcal/hr -168,837 -10,418 -157,875 -8,554 -0,954 -7,553 -1,002 -170,684 -168,837 -168,837 -22,967 -10,011 -0,389 -9,507Fracción Molar Agua 0,944606125 0,146901282 0,999425844 0,112857868 0,193737636 0 1 0,944606125 0,944606125 0,944606125 1 0,12955846 0,47641916 0,120946066Etanol 0,053710114 0,826919999 0,000574156 0,887142132 0,806262364 1 0 0,053710114 0,053710114 0,053710114 0 0,87044154 0 0,879053934Glucosa 0,001683365 0,02617872 0 0 0 0 0 0,001683365 0,001683365 0,001683365 0 0 0,52358084 0

Flujo 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109Temperatura ºC 78,2 78,6 78,2 97,3 76,9 79,4 78,2 76,9 78,2 78,9 93,9 78,2 78,2 90,1Presión bar 1,013 1,013 1,013 1,018 0,963 0,963 1,125 1,059 1,013 1,018 1,013 1 1 1,013Fracción Vapor 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0,008Flujo Molar Kmol/hr 146,586 7,715 132,817 2803,984 123,227 9,59 132,817 123,227 117,065 6,161 6,161 103,257 13,808 2532,051Flujo másico Kg/hr 6255,705 291,951 5505,149 52010,649 5229,89 275,259 5505,149 5229,89 5005,716 224,175 224,175 4756,959 248,757 50224,115Flujo Volumétrico cum/hr 8,702 0,396 7,609 56,61 7,25 0,348 7,609 7,25 6,966 0,301 185,588 0,264 672,452Entalpía MMkcal/hr -9,507 -0,504 -8,63 -187,511 -8 -0,635 -8,63 -8 -7,592 -0,403 -0,343 -0,929 -169,18Fracción Molar Agua 0,120946066 0,293324692 0,164677714 0,988229605 0,129314193 0,619082377 0,164677714 0,129314193 0,117951565 0,345236163 0,345236163 0 1 0,943149249Etanol 0,879053934 0,706675308 0,835322286 0,010253981 0,870677692 0,380917623 0,835322286 0,870677692 0,882048435 0,654763837 0,654763837 1 0 0,05517148Glucosa 0 0 0 0,001516414 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,001679271


87

Anexo 4. Esquematización de la metodología Industrial.

Anexo 5. Tabla 14. Reactor de Licuefacción Simulado, Flujos R-201


88

Anexo 6. Tabla 15. Flujos en la primer Filtración Simulado F-201, 202, 203

Anexo 7. Tabla 16. Flujos Reactor de Fermentación Simulado R-202


89

Anexo 8. Tabla 17. Cinética de las Reacciones Simuladas (Riaz et al., 2007) (Lim et al., 2007) (Kroumov et al., 2005).


90

Anexo 9. Tabla 18. Zona de Realimentación al Fermentador Simulado R-202


91

Anexo 10. Tabla 19. Resultados flujos 2da Filtración Simulada.

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PRODUCCION DE BIOETANOL A PARTIR DE HARINA DE PAPA …