Obtencion de Xilosa a Partir de Desechos Lignocelulosicos de La Produccion y Proceso Industrial de...

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obTENCIN dE XIloSA A PARTIR dE dESEChoS lIgNoCElUlSICoS dE lA PRodUCCIN y

PRoCESo INdUSTRIAl dE lA PIA (Ananascomusus)

XyloSE fRom lIgNoCEllUloSIC wASTE IN ThE PRodUCTIoN ANd INdUSTRIAl PRoCESSINg of

PINNEAPlE (Ananascomusus)

Karla Ramrez amador1scar Rojas carrillo2

Patricia alvarado aguilar3Jos Vega-Baudrit4

1 Laboratorio de Polmeros PoLIUNA. Universidad Nacional, Ap. 86-3000, Heredia, Costa rica. e-mail: [email protected]



4 Laboratorio Nacional de Nanotecnologa, LANoTEC-CeNAT, Costa rica. Laboratorio de Polmeros PoLIUNA. Universidad Nacional, Ap. 86-3000, Heredia, Costa rica. e-mail: jve-

[email protected]

RESUmEN

Los desechos lignocelulsicos de la produccin de pia son una materia prima muy til para la produccin de xilosa por medio de hidrlisis, que a su vez, puede convertirse a xilitol. El objetivo de este trabajo fue estudiar la hidrlisis de la cs-cara de pia con concentracin de cido sulfri-co y tiempo de reaccin variable (2-6% y 0-350 min respectivamente) y temperatura de 98C. Se determin la concentracin de xilosa, glucosa y los productos de degradacin como cido actico y furfural. Las condiciones ptimas encontradas para la hidrlisis fueron 6% H2So4 a 98 C por 83 min con un rendimiento de 26,9 g xilosa/L, 2,61 g glucosa/L, 7,71 g cido cetico/L y 0,29 g furfural/L.

Palabras clave: desechos agrcolas, azcar, xilo-sa, hidrlisis

AbSTRACT

Lignocellulosicwaste from the pineapple produc-tion is a raw material useful for the xylose pro-duction by hydrolysis and it can be converted to xylitol. The objective of this work was to study the hydrolysis of pineapple peel with sulfuric acid at variable concentration (2-6%), reaction time (0-350 min) and temperature at 98 C. The con-centration of xylose, glucose and degradation pro-ducts as acetic acid and furfural was determined. Optimal conditions found for hydrolysis were 6% H2So4 at 98 C for 83 min which yield was 26,9 g xylose/L, 2,61 g glucose/L, 7,71 g acetic acid/L and 0,29 g furfural/L.

keywords: agricultural residues, sugar, xylose, hydrolysis.

recibido el 20 de setiembre de 2011 - Aceptado el 15 de octubre de 2011 - Corregido el 1 de noviembre de 2011

UNICIENCIA 26pp. 75-89

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KARLA RAMREZ A., SCAR ROJAS C., PATRICIA ALVARADO A. Y JOS VEGA-B.

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INTRodUCCIN

debido a los diferentes problemas de salud que involucra para algunas personas el con-sumo de sacarosa en su dieta diaria, en los ltimos aos se han elaborado algunos susti-tutos de este compuesto, llamados edulcoran-tes, los cuales tienen muchas ventajas.

Un tipo de edulcorante es el xilitol, el cual, es un polialcohol natural de cinco tomos de carbono, que se encuentra en algunas plantas, levaduras, hongos, lquenes, frutas y vegeta-les, pero en muy pequeas cantidades (meno-res a los 900 mg/100 g), lo cual provoca que su extraccin sea un proceso poco rentable (Mussatto et al., 2002). Su frmula estructu-ral (C5H12o5), se presenta en la figura 1.

figura 1. Estructura qumica de la molcula de xilitol (Lima et al., 2003)

Su consumo se ha incrementado en los l-timos aos debido, entre otras cosas, a que tiene un poder edulcorante parecido al de la sacarosa, siendo utilizado principalmente por las personas diabticas, con la ventaja de ser anticariognico y adems tener un sabor agradable an despus de haber sido ingeri-do (Carvalho et al., 2003). Es usado en el rea clnica porque es muy bien asimilado en infusiones posciruga por los pacientes con dificultad de metabolizar la sacarosa, mejora las propiedades bioqumicas de los huesos en caso de osteoporosis y previene la otitis agu-da (Carvalho et al., 2003)

El xilitol comercial es obtenido por procesos qumicos que consisten en la hidrogenacin cataltica de la D-xilosa; esta a su vez es

ampliamente encontrada en la naturaleza y obtenida por hidrlisis cida o enzimtica de la fraccin hemicelulsica de los materiales lignocelulsicos. La estructura de este azcar se muestra en la figura 2.

figura 2. Estructura molecular de la d-xilosa. (Fengelet al.1984)

Los materiales lignocelulsicos se encuen-tran constituidos de tres componentes prin-cipales: celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa, es el principal polmero natural, cuyas cadenas se encuentran altamente or-denadas y rodeadas en una matriz por la he-micelulosa y la lignina. La hemicelulosa est constituida principalmente de azcares, que pueden ser fcilmente obtenidos por medio de hidrlisis cida. Por su parte, la lignina es un polmero aromtico que forma parte de los tejidos de sostn de los vegetales.

En Costa Rica, la produccin de xilosa se presenta como una buena alternativa, por-que utiliza como materia prima los desechos agroindustriales contribuyendo a minimi-zar los problemas ambientales. Entre estos desechos tenemos los de la pia, los cuales, debido al incremento en su produccin y al contenido en hemicelulosa podran ser una alternativa para la produccin de este azcar. A nivel nacional, la mayor parte de la pro-duccin de esta fruta es consumida como fruta fresca. Sin embargo, el comercio mun-dial constituye mayormente productos proce-sados, ya sea enlatados, como jalea o como jugo, lo cual provoca que durante el proceso de preparacin, se d una gran generacin de desechos y present problemas ambientales.

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oBTENCIN dE XILoSA A PArTIr dE dESECHoS LIGNoCELULSICoS dE LA ...

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Estos desechos estn constituidos por la cs-cara, el corazn y slidos centrifugados en la produccin del jugo (IPGRI 2001).

El Laboratorio de Polmeros de la Universi-dad Nacional (POLIUNA) ha desarrollado varias lneas de investigacin orientadas al aprovechamiento de este tipo de desechos. As por ejemplo, se han realizado estudios en la obtencin de acetato de celulosa a partir de fibra de pia (Sibaja et al., 1986) y ms recientemente, en la utilizacin del rastrojo de pia como refuerzo de una resina polister comercial (Quesadaet al., 2005). Como parte de esta lnea de investigacin se ejecut un proyecto, con el aporte del CONICIT, el cual consiste en la utilizacin de los desechos de cscara de pia para la produccin biotecno-lgica de xilitol, con el fin de aprovechar al mximo el componente hemicelulsico de la cscara de pia, para la obtencin de xilosa que posteriormente ser empleada como ma-teria prima para la produccin de xilitol por medios fermentativos.

hidrlisis de los desechos de la cscara de pia

Las plantas almacenan la energa solar en for-ma de hidratos de carbono, los cuales pueden ser posteriormente utilizados en la fabricacin de diferentes productos con un alto valor agre-gado, y siguen diferentes etapas, dentro de las cuales se encuentra la hidrlisis, que es un proceso de transformacin en medio acuoso, de las molculas complejas en azcares sim-ples mediante reactivos qumicos. durante esta reaccin qumica, los cidos empleados actan como catalizadores, y transforman las cadenas de polisacridos en sustancias ms simples. Para esta reaccin se han empleado gran cantidad de cidos como el sulfuroso, clorhdrico, sulfrico, fosfrico y ntrico, pero a escala industrial slo se han empleado el sul-frico y el clorhdrico (Oliva, 2003).

A nivel industrial los procesos de hidrlisis cida se agrupan en dos tipos: los que em-

plean cidos concentrados y los que utilizan cidos diluidos. Si se utilizan cidos con-centrados se opera a baja temperatura, ob-tenindose altos rendimientos de hidrlisis (superiores al 90% de la glucosa potencial). Sin embargo este es un proceso que presen-ta la desventaja de no ser rentable, debido a la gran cantidad de cido que se utiliza y lo costoso de su recuperacin. Esto sin tomar en cuenta la necesidad de una posterior etapa de neutralizacin para que el producto pueda ser fermentado (Oliva, 2003).

Al utilizar cidos diluidos la principal ven-taja que se tiene es el relativo bajo consumo de cidos, sin embargo, se deben emplear al-tas temperaturas para alcanzar rendimientos aceptables de conversin (Oliva 2003). En la hidrlisis con cido diluido, se obtiene una fraccin lquida que contiene principalmente xilosa (alrededor de un 50 a un 70% de peso en peso), (Aguilar et al., 2002).

diseo experimental de la hidrlisis de cscara de pia

De acuerdo con la literatura existen diversos estudios relacionados con el aprovechamien-to de varios residuos agroindustriales para la obtencin de xilosa por medio de un trata-miento con cido diluido.

Investigadores en el campo de la hidrlisis establecen condiciones similares de proceso, porque en la mayora de los casos se utiliza como catalizador HCl o H2So4 en concentra-ciones que varan entre el 2 y el 6% v/v y en un rango de temperatura entre 100-128 C, con lo cual se acelera la produccin de los azcares hemicelulsicos por la relativa alta energa de activacin en la fase slido-lqui-do del medio de reaccin.

Sin embargo, a altas temperaturas parte de la xilosa obtenida puede ser degradada rpida-mente y la celulosa de la regin amorfa pue-de producir glucosa. Una buena seleccin de temperatura y tiempos de reaccin resultan

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en una alta produccin de azcares, princi-palmente xilosa. Estudios realizados por Aguilar (2002), demuestran que en el caso de la hidrlisis a temperaturas mayores de 98 C se presenta un decaimiento en la produccin de xilosa (Aguilar et al., 2002), por lo tanto, para efectos de este estudio se decidi em-plear esta temperatura.

Compuestos secundarios generados du-rante la hidrlisis

durante la hidrlisis del material lignocelu-lsico no solo se obtienen los azcares pro-venientes del rompimiento de las macromo-lculas sino que tambin debido a las altas temperaturas y condiciones cidas en las que se desarrolla el proceso, se originan una serie de compuestos secundarios que pue-den actuar como inhibidores potenciales de la posterior fermentacin. La naturaleza y la concentracin de estos compuestos depen-de del tipo de materia prima y de las condi-ciones del proceso (temperatura y tiempo) (Oliva, 2003).

El furfural ejerce un efecto daino debido a que al ser un aldehdo, es un compuesto qumicamente reactivo que puede formar compuestos con molculas biolgicas como lpidos, protenas y cidos nucleicos, produ-ciendo una disminucin en la eficiencia de los microorganismos de fermentacin (Oli-va, 2003).

La presencia de cido actico a relativas al-tas concentraciones inhibe el crecimiento del microorganismo que produce el xilitol y por lo tanto podra impedir o prevenir un siguien-te paso de fermentacin debido a que puede introducirse en las membranas celulares y disminuir el pH intracelular afectando el me-tabolismo de los microorganismos. (Aguilar et al., 2002).

Adems, la produccin de xilitol, se puede ver afectada por la presencia de altas concen-traciones de glucosa porque esta provoca una

represin catablica sobre las enzimas xilosa reductasa y xilitol deshidrogenasa que son de vital importancia en la bioconversin xilosa-xilitol (Martnez et al., 2002).

Por el contrario, si la concentracin de glu-cosa presente en el medio es baja y tambin hay presencia de cido actico, la glucosa contribuye a minimizar el efecto txico cau-sado por el cido durante el metabolismo de la xilosa (Martnez et al., 2002).

Cintica qumica de la hidrlisis de csca-ra de pia

El principal objetivo al estudiar la cintica de cualquier reaccin qumica es determinar experimentalmente la rapidez de una reac-cin y su dependencia de parmetros tales como concentracin, temperatura y cataliza-dores (Chang, 1986); sin embargo, para este trabajo fue tambin muy importante definir los valores de las variables que optimicen el proceso, y obtiene una mayor concentracin de xilosa, con una menor produccin de in-hibidores (glucosa, cido actico y furfural).Los datos bsicos en cintica qumica son las concentraciones de los reactivos y productos a diferentes tiempos. El mtodo que se usa para controlar las concentraciones, depende de las sustancias implicadas y de la rapidez con la que cambian. Los datos pueden ser obtenidos mediante un anlisis en tiempo real, analizando la composicin del sistema mientras transcurre la reaccin, ya sea sepa-rando una pequea muestra o controlando la totalidad. La rapidez de reaccin es sensible a la temperatura, por lo que la temperatura de la mezcla de reaccin, debe mantenerse constante (Atkins 1991).

Tanto el grado de hidrlisis, como la rapidez del proceso dependen de diferentes variables dentro de las cuales se encuentra la concen-tracin de la biomasa, el tipo de materia or-gnica y el tamao de partcula (Aguilar et al., 2002).

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Para el caso de la reaccin de hidrlisis en cido diluido de la cscara de pia, los es-tudios cinticos se realizaron principalmen-te para ver la variacin con el tiempo de los mayores productos generados y optimizar el proceso de hidrlisis con el fin de obtener la mayor concentracin de xilosa, con el menor grado de inhibidores.

Los estudios previos en este tipo de procesos presentan varios modelos cinticos para des-cribir la reaccin, sin embargo estos modelos y parmetros cinticos son muy especficos para sustratos y condiciones limitadas de re-accin (Eken-Saraoluet al., 1997), esto de-bido a la heterogeneidad de la estructura qu-mica y fsica de la hemicelulosa, que vara de un material biomsico a otro (Ladish 1989).

Por lo tanto es comn utilizar modelos sim-plificados para determinar la cintica de hi-drlisis de materiales lignocelulsicos en los cuales se propone un modelo donde se usan reacciones homogneas irreversibles de pseudo primer orden. El primer modelo usado satisfactoriamente fue propuesto por Saeman(1945) donde:

Celulosa Glucosak1 k2

Este modelo se propuso para la hidrlisis con H2So4 de madera de abeto. Sin embargo, el modelo puede ser aplicado para reacciones de hidrlisis de fracciones hemicelulsicas como se muestra a continuacin:

Xilano (Y) Xilosa (X)Productos de descomposicin (2)

k1 k2

donde k1 es la constante de rapidez de reac-cin de la xilosa producida (min-1) y k2 es la constante de rapidez de descomposicin de xilosa(min-1). La variacin de los compo-nentes, basada en la reaccin (2) se muestra mediante las ecuaciones diferenciales 3 y 4:

dY = -k1[Y] (3) dt

dX = k1[y] k2[X] (4) dt donde:[Y]= concentracin xilano (g/L) [X]= concentracin xilosa (g/L) k1= constante de velocidad de formacin xi-losa k2=constante de velocidad de descomposi-cin xilosa

Con base en este modelo de reaccin y resol-viendo las ecuaciones diferenciales se obtie-ne la siguiente ecuacin de primer orden(5) que expresa la concentracin de xilosa [X] en funcin del tiempo (t):

[X] = k1[yo] (e-k

1 t e-k2

t) + [Xo]e-k

2 t (5)

k2-k1

Las concentraciones iniciales de xilano y xi-losa se definen en el tiempo cero como [Yo] y [Xo] respectivamente. Para simplificar el modelo, se asume que [Xo] es cero y se obtie-ne la siguiente ecuacin:

[X] = k1[yo] (e-k

1 t e-k2

t) (6) k2-k1

La concentracin potencial de xilosa [X] presente en el material lignocelulsico co-rresponde a la conversin estequiomtrica de los pentosanos. Al ajustar los datos experi-mentales al modelo descrito en la ecuacin 6 se obtienen los valores de k1 y k2.

Un modelo similar se puede usar para des-cribir el incremento de la concentracin de glucosa, pero en este caso la reaccin de descomposicin se considera insignificante y el modelo se simplifica como se muestra a continuacin:

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Glucano Glucosa (7)[G] = [Go] * (1-e

-k3 t) (8)

k3

donde [Go] es la concentracin potencial de glucosa la cual se obtiene al ajustar los datos experimentales con el modelo de la ecuacin 8.

Para el caso de la concentracin de furfural, se puede obtener un modelo similar al de la glucosa, donde k4 representa la constante de formacin de furfural (min-1) y [Fo] la con-centracin potencial de furfural:

[F] = [Fo] * (1-e-k

4 t) (9)

El modelo del cido actico se puede obtener a partir de la siguiente ecuacin:

Grupos acetilos cido actico (10)k3

A partir de la ecuacin 10 se puede expre-sar la concentracin de cido actico [Ac] en funcin del tiempo:

[Ac] = [Aco] * (1-e-k

5 t) (11)

donde [Aco] representa la concentracin ini-cial de cido actico obtenida por regresin al graficar la concentracin del cido en fun-cin del tiempo.

mETodologA

En este trabajo se realiz la caracterizacin fsica y qumica de los desechos de cscara de pia mediante la determinacin del con-tenido de humedad, cenizas, solubilidad en agua fra y caliente, extractos en ciclohexa-no-etanol, -celulosa, holocelulosa, lignina y xilano. Adems, se realiz la hidrlisis de la cscara de pia pretratada con cido diluido y se determinaron los valores de los parme-tros cinticos de dicha hidrlisis.

1. Preparacin de la cscara de piaLa variedad de pia utilizada fue la MD2. Esta fue molida con una picadora para cs-ped y secada en secadores solares durante tres semanas. El material seco fue nueva-mente molido en un molino de martillos y posteriormente se tamiz para obtener la muestra en diferentes tamaos de partcula (en mallas con nmero de criba 40, 60 y 80.

2. Caracterizacin qumica del sustrato

2.1. determinacin del porcentaje de hu-medadPara la determinacin del porcentaje de hu-medad, se aplic el mtodo ASTM d1102-56.

2.2 determinacin del porcentaje de ce-nizasPara la determinacin del porcentaje de ce-nizas, se utiliz el mtodo ASTM D1102-56.

2.3 determinacin del porcentaje de solu-bilidad en agua fraPara la determinacin del porcentaje de ma-terial soluble en agua fra se aplic el mtodo ASTM d1110-56.

2.4 determinacin del porcentaje de solu-bilidad en agua calienteAl igual que para la determinacin del ma-terial soluble en agua fra, el porcentaje de solubilidad en agua caliente se determin por el mtodo ASTM d1110-56.

2.5 Porcentaje de solubilidad en ciclohexa-no-etanolSe realiz bajo la norma ASTM D-1107-56 adaptado por el Laboratorio de Polmeros de la Universidad Nacional, sustituyendo el benceno con ciclohexano.

2.6 determinacin del porcentaje de ligni-naEl contenido de lignina en el material seco, se determin mediante la norma ASTM d1106-56.

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2.7 determinacin del porcentaje de holo-celulosaEl porcentaje de holocelulosa se calcul me-diante el mtodo ASTM D1104-56 modifica-do por Pereira (1995), para sto se coloc en erlenmeyer3 g de muestra y se agreg 120 mL de agua destilada. Se tap cada uno con erlenmeyer invertidos de 50 mL. Se colo-c en bao mara con agitacin constante y cuando se alcanz 70 C, se aadi 1 mL de cido actico glacial y 2,5 g de clorito de so-dio y se calent y agit durante 1 h. Se repiti la adicin de clorito de sodio y cido actico una vez ms. Se filtr el material y se lav con 1,5 L de agua.

2.8 determinacin del porcentaje de -celulosaLa cantidad de -celulosa, se determin me-diante el mtodo ASTM d1103-60.

2.9 determinacin de pentosanosPrimeramente, se prepar el reactivo de orci-nol y el etanol libre de aldehdos. El reactivo de orcinol se prepar disolviendo 0,400 gor-cinol y 0,500 g de cloruro de hierro (III) en 1 L de cido clorhdrico 11 M y se guard en refrigeracin. Este se utiliz para poder de-tectar los productos en el espectofotmetro. El etanol se disolvi durante 1 h con NaoH en una proporcin del 10%.

2.9.1 Preparacin de la curva de calibra-cinSe sec la xilosa durante 2 h en una estufa a 60 C y se pesaron varias muestras en el rango de 10 a 100 mg, cada una se coloc en un baln de fondo plano y se realiz la destilacin. Se midi la absorbancia de los destilados a 630 nm, usando un blanco con 5 mL de HCl 3,85 M. Los miligramos de xilano en el espcimen se calcularon de la siguiente forma:

mg xilano= xilosa (mg) x 0,88 (Ec. 10)

Nota: 0,88 corresponde a la relacin de pe-sos moleculares entre la xilosa (132 g/mol) y el xilano (150 g/mol)

2.9.2 determinacin de pentosanos El contenido de pentosanos en la cscara de pia se determin mediante el mtodo TAPPI 223 cm-84.

3.hidrlisis de la cscara de pia con ci-do sulfrico

Como referencia se utiliz el mtodo descrito por Aguilar et al. (2002), para lo cual se pes 1 g de la muestra de cscara de pia seca, molida y retenida en una malla de 60 en tu-bos de ensayo. Se le agreg 10 mL de cido sulfrico al 2, 4 y 6% v/v y se coloc en un bao de aceite tapado con tapones de hule provistos de un tubo de vidrio como reflujo. Al alcanzar los 98 C se sacaron los tubos en cada uno de los siguientes tiempos: 20, 40, 60, 80, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300 y 350 minutos. El experimento se realiz por triplicado para cada tiempo de reaccin. Finalizado el tiempo, cada muestra fue colo-cada en un bao de hielo, posteriormente se filtraron las muestras y se tom del lquido 2,5 mL los cuales se diluyeron en balones aforados de 25 mL con agua tridestilada, se filtr cada muestra con filtro de membrana y se inyect en el cromatgrafo lquido de alta resolucin.

4.Caracterizacin y cuantificacin de las muestras hidrolizadas mediante Cromato-grafa lquida de Alta Resolucin (hPlC)

4.1 Purificacin de furfuralEl furfural usado se debi destilar para eli-minar residuos y contaminantes del lquido. Se coloc 250 mL de furfural impuro en un baln de 250 mL y se coloc en un sistema de destilacin, se calent en un bao con agua hasta los 70 C aproximadamente durante 5 h. El destilado se recogi en un baln de fondo plano. Para establecer el grado de pureza del destilado, se determin el punto de ebullicin mediante el mtodo semimicro y el ndice de refraccin descritos por Calvo (2004).

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4.2 determinacin de xilosa, glucosa, ci-do actico y furfural en las muestras hi-drolizadasTanto la inyeccin de las muestras del hi-drolizado como la confeccin de las curvas de calibracin se realiz bajo las siguientes condiciones:

cuadro 1. Metodologa utilizada para la cuantificacin y caracterizacin del

hidrolizado

Producto

Condicin Xilosa y glucosacido

Actico furfural

fase mvil 0,1% H3Po4CH3CN/H2o 1:8

flujo (ml/min) 0,5 1

detector Ir Uv-vis (210 nm)

Uv-vis (280 nm)

Temperatu-ra ( C) 30

4.5 determinacin de los parmetros ci-nticos de la hidrlisis de cscara de pia con h2So4 98 CPara obtener los parmetros cinticos de hi-drlisis de los desechos de cscara de pia se utiliz el programa de ajuste de curvas Curve Expert 1.3 el cual abarca un amplio nmero de modelos de regresin, tanto lineales como no lineales.

El modelado de datos puede ser realizado por varias tcnicas como la interpolacin y la re-gresin. La interpolacin garantiza que la cur-va pasar por cada punto de datos. La regresin es una funcin arbitraria que reduce al mnimo la divergencia entre los datos y el modelo.

En este acercamiento, los parmetros son ajustados al modelo hasta que la funcin sea adecuada. Por medio de este programa los valores de x y y pueden ser mode-lados utilizando alrededor de 30 modelos o

incluyendo el modelo que el operador desee emplear. Con el fin de dar valides a los da-tos obtenidos mediante el ajuste se utiliza el valor de r.

4.6 modelos cinticosLos modelos generalizados para todos los productos pueden obtenerse correlacionando los parmetros cinticos por medio de la si-guiente ecuacin:

Kj = koCan(10)

donde j es un integrador en el rango de 2 a 6, ko y n son parmetros de regresin y Ca es la concentracin de cido expresado como % v/v. Por medio de anlisis de regresin no lineal se pueden obtener los parmetros cin-ticos y las constantes.

Estos datos cinticos se optimizaron utili-zando los criterios de maximizacin de la concentracin de xilosa y minimizacin de la concentracin de los productos inhibido-res. Para la optimizacin de los parmetros cinticos, se utiliz la herramienta Solver de Microsoft Excel (Microsoft Office Ex-cel, 2003).

RESUlTAdoS y dISCUSIN

Caracterizacin de la cscara de pia

La cscara de pia est constituida por una gran variedad de compuestos qumicos, los cuales son caractersticos segn la variedad, el grado de madurez de la fruta, y las con-diciones de cultivo (clima, altitud, zonas de cultivo), los cuales pueden afectar el com-portamiento del sustrato (cscara de pia) al ser sometido a una reaccin de hidrlisis.

En el cuadro 2, se muestran los resultados promedio obtenidos para la caracterizacin de la cscara de pia variedad Md2, cada anlisis se realiz por triplicado.

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de manera comparativa, los resultados obte-nidos en la caracterizacin de esta variedad de pia son mucho mayores que los obteni-dos por Sibaja et al. 1988, a excepcin de la lignina, sin embargo, se debe tomar en cuen-ta que la variedad utilizada en el estudio de Sibaja (1988), fue Champaka.

cuadro 2. Composicin de la cscara de pia seca y molida variedad MD2.

Ensayo ResultadoHumedad 7,46 % ( 0,01)Cenizas 4,25 % ( 0,01)Solubilidad agua fra 29,32 % ( 0,01)Solubilidad agua ca-liente

30,93 % ( 0,01)

Solubilidad ci-clohexano-etanol

24,74 % ( 0,02)

Lignina 9,05 % ( 0,02)-celulosa 41,19 % ( 0,01)Holocelulosa 65,61 % ( 0,01)Xilano 28,40 g/L ( 0,04)

El material soluble en agua fra y caliente es producto de la presencia de taninos, gomas, colorantes y azcares y en el caso del agua caliente, tambin se da la presencia de almi-dones. Por su parte, el porcentaje de extrac-tos solubles en ciclohexano-etanol determina el contenido de grasas, ceras, resinas, aceites y taninos (Sibaja et al., 1988).

El porcentaje de holocelulosa presente en la cscara de pia es significativamente favora-ble, debido a que sta representa la suma del contenido de -celulosa y hemicelulosa; a su vez, la ltima es la base para este trabajo, ya que est constituida mayormente de xilosa, que es el producto final que se desea obtener en mayor proporcin despus de la hidrlisis (Aguilar et al., 2002).

El alto contenido de xilano indica que la cs-cara de pia, es un adecuado sustrato para la produccin de xilosa, debido a que segn la

bibliografa consultada, otros sustratos con-tienen un menor contenido de xilano y se ob-tienen buenos resultados con ellos.

hidrlisis de cscara de pia

En la hidrlisis de cscara de pia la degrada-cin de la hemicelulosa es un proceso gradual, durante el cual largas cadenas de polmero son degradadas a oligosacridos y finalmente a monosacridos. (Sanchez et al., 2004).

Las figuras 3, 4 y 5 muestran los resulta-dos de la hidrlisis. La figura 3 muestra la dependencia con el tiempo de la formacin de xilosa, glucosa, cido actico y furfural durante la hidrlisis con H2So4 al 2% v/v a 98 C. Se observa que conforme avanza el tiempo de reaccin se da una mayor forma-cin de xilosa que de los otros compuestos. La concentracin de los azcares aumenta progresivamente en los tiempos iniciales de reaccin, hasta obtener valores alrededor de los 24,2 g/L para la xilosa a los 250 minu-tos, esta concentracin representa un 85,2% del xilano potencial en el desecho de cscara de pia. Por su parte, la glucosa a los 250 minutos alcanza los 2,31 g/L, mientras que los productos de descomposicin aumentan hasta los 0,36 g/L para el furfural y los 7,9 g/L para el cido actico a los 300 minutos.

Figura 3. dependencia de la formacin de xilosa, glucosa, furfural y cido actico durante la hidrlisis con H2So4 al 2% v/v a

98 C con respecto al tiempo.

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La figura 4 muestra la formacin de los pro-ductos caracterizados con respecto al tiempo durante la hidrlisis con H2So4 al 4% v/v a 98 C. A los 100 minutos se obtuvo una con-centracin de aproximadamente 24,5 g/L, la cual representa un 86,3% del xilano presente en la cscara de pia. La mayor concentracin de glucosa se obtiene a los 350 minutos, y al-canzo 3,6 g/L, mientras que los productos de descomposicin se mantienen en valores me-nores a los 0,79 g/L para el furfural y los 7,9 g/L para el cido actico a los 350 minutos. Como era de esperar al aumentar la concentra-cin de H2So4 en la reaccin de hidrlisis, se presenta un ligero incremento en las concen-traciones de los productos de descomposicin.

Figura 4. dependencia de la formacin de xilosa, glucosa, furfural y cido actico durante la hidrlisis con H2So4 al 4% v/v a

98 C con respecto al tiempo.

La figura 5 muestra la concentracin de xi-losa formada durante la hidrlisis con H2So4 al 6% v/v a 98 C, esta se mantiene prctica-mente constante a partir de los 80 minutos, donde se alcanz 24,7 g/L (87,0% del xilano potencial en la cscara de pia), para el caso de la glucosa el mximo valor alcanzado fue de 4,75 g/L a los 350 minutos, mientras que los productos de descomposicin en este mismo tiempo slo alcanzan el 1,15 g/L para el furfural y los 8,13 g/L para el cido acti-

co. Tal como se observ en los grficos an-teriores el incremento de la concentracin de H2So4 trae consigo el aumento en la concen-tracin de los productos de descomposicin.

Figura 5.dependencia de la formacin de xilosa, glucosa, furfural y cido actico

durante la hidrlisis con H2So4 al 6% v/v a 98 C con respecto al tiempo.

Comparando los grficos con respecto a la dependencia de la formacin de xilosa con la concentracin de cido, se observa que al hidrolizar con H2So4 al 2% v/v, la produc-cin inicial de xilosa es menor que con las otras concentraciones de cido, sin embargo aproximadamente a partir de los 100 minu-tos la concentracin de xilosa producida se mantuvo en un rango muy similar, llegando a ser prcticamente constante. durante la hi-drlisis con H2So4 al 4% v/v se obtiene gran cantidad de xilosa desde los 20 minutos de reaccin, pero esta permanece constante a partir de los 100 minutos; por su parte la con-centracin de xilosa al hidrolizar con cido al 6% v/v se mantiene prcticamente constante desde el principio de la reaccin.

Es importante mencionar que la concentra-cin de todos los productos de reaccin se mantiene constante a partir de cierto tiempo para los tres porcentajes de cido empleado en la hidrlisis, pero no se presenta alguna disminucin en las curvas lo cual demuestra que ni la xilosa ni los subproductos se des-componen bajo las condiciones utilizadas.

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Para el caso de la glucosa, cido actico y furfural, la concentracin aumenta propor-cional a la concentracin de H2So4, sin em-bargo este no es tan marcado como para la xilosa. A partir de los 100 minutos el aumen-to en la concentracin de cada uno de estos productos de hidrlisis es menor. La concen-tracin casi constante que se obtiene en cada uno de los productos de hidrlisis para las tres concentraciones de cido evidencia que a partir de ese tiempo, no existe dentro del sustrato material susceptible a la hidrlisis bajo las condiciones empleadas.

Segn Aguilar et al. 2002, aunque el cido actico es el producto mayormente produci-do despus de la xilosa, se considera que la concentracin obtenida es aceptable para que no inhiba la sntesis enzimtica del xilitol. El cido actico se produce por la hidrlisis de los grupos acetilos enlazados a los mo-nmeros hemicelulsicos. La concentracin de cido actico que afecta el crecimiento de los microorganismos que producen xilitol no est muy claro, pues segn Aguilar otros autores reportan que 10 g/L de cido actico impide el crecimiento del microorganismo empleado (Pichiastipitis), pero utilizando Saccharomycescerevisiae la presencia de una concentracin de 9-10 g/L de cido actico realza el crecimiento y la productividad de la bacteria. (Aguilar et al., 2002).

Tomando como referencia a Aguilar (2002), la formacin de furfural es casi insignifican-te en todos los casos de hidrlisis, lo cual es positivo para los fines posteriores, debido a que como ya se dijo este inhibe la produccin enzimtica del xilitol.

La poca produccin de glucosa, que se ob-serva claramente en las figuras 3, 4 y 5, con-firma la no ruptura de las molculas de celu-losa. Para que este proceso se lleve a cabo se necesitan condiciones ms fuertes que las necesarias para la hidrlisis de la hemicelu-losa, debido a que los enlaces de esta ltima son ms dbiles que los de la celulosa, ade-

ms de que cada molcula de celulosa est unida por enlaces de hidrgeno, y forman gran proporcin de fracciones de celulosa cristalina y poca cantidad de segmentos de celulosa amorfa (que es ms susceptible a ser hidrolizada).

La resistencia de la celulosa tambin se pue-de basar en el hecho de que la combinacin de la hemicelulosa y la lignina provee un tipo de capa protectora alrededor de la celulosa, quedebe ser removida antes, para que se pue-da dar una hidrlisis en la celulosa.

En el caso de la lignina, esta solo puede ser degradada por algunos organismos, forman-do productos de alto valor agregado como por ejemplo cidos orgnicos y fenoles (Ha-melinck et al., 2003). Esto significa que bajo las condiciones utilizadas durante la hidrli-sis, la lignina se mantiene intacta y como la celulosa tampoco reacciona, se presenta un residuo slido que puede ser empleado para la produccin de soluciones de glucosa, para la produccin de pulpa de papel y en condi-ciones adecuadas el residuo se puede separar y utilizar para la obtencin de varios produc-tos qumicos y farmacuticos; por su parte el producto de hidrlisis puede ser posterior-mente utilizado para obtener xilitol (Mart-nez et al., 2002).

En el cuadro 3 se presenta la mayor con-centracin de xilosa y sus correspondientes productos de degradacin obtenidos bajo las condiciones de hidrlisis utilizadas en este trabajo. Comparando estos resultados con los obtenidos por otros autores, se puede ob-servar que al hidrolizar la cscara de pia se obtiene una menor cantidad de productos se-cundarios como el furfural y la glucosa y una mayor proporcin de xilosa, lo cual refuerza que las condiciones de hidrlisis utilizadas, son las apropiadas, adems de que la cscara de pia es un sustrato adecuado para obtener este tipo de compuesto.

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cuadro 3. Composicin del hidrolizado hemicelulsico de cscara de pia

% h2so4 Xilosa(g/l) glucosa (g/l)

cido acti-co (g/l)

Furfural (g/l)

2 24,27 2,57 7,91 0,364 25,60 3,59 8,70 0,796 24,97 4,75 8,10 1,15

modelo cintico de la concentracin de xilosa

Por medio de anlisis de regresin no lineal se determinaron los parmetros cinticos que se muestran en el cuadro 4 y los resultados fueron evaluados estadsticamente por medio del coeficiente de ajuste estadstico r para de-terminar la valides del modelo.

Comparando los valores de k1 y k2, las reac-ciones de formacin de xilosa (representadas con k1) tienden a ser ms favorables con el aumento de la concentracin de cido, con respecto a las reacciones de descomposicin de xilosa (representado con k2). Como k1 k2 cuando se obtiene la conversin mxima de xilano a xilosa, la formacin de productos de degradacin puede ser minimizada rpida-mente (Ladish 1989).

Por su parte, como era de esperar, la constan-te de formacin de glucosa k3 y la de forma-cin de cido actico k5 incrementan en pro-porcin a la concentracin de cido, mientras que la formacin de furfural (k4) no presenta el mismo comportamiento, al aumentar exce-sivamente en la hidrlisis con H2So4 al 6% y disminuir con cido al 4%, esto conlleva a dudar sobre la validez del punto al 4% pues-to que el potencial de furfural (Fo) obtenido por regresin es muy alto y no concuerda con los valores obtenidos para la hidrlisis con H2So4 al 2 y 6%, sin embargo posiblemente esto se deba a la complejidad de la matriz.

cuadro 5. Parmetros cinticos de los productos de hidrlisis con H2So4 diluido de

cscara de pia a 98 C.

modelo 2% h2So44%

h2So46%

h2So4Xilosa

k1 (min-1) 0,015 0,033 0,054

k2 (min-1) 0,00071 0,00065 0,00066

r 0,9876 0,9729 0,9701

glucosa

k3 (min-1) 0,0068 0,013 0,016

[Go] 2,721 3,497 4,358

r 0,9915 0,9908 0,9746

furfural

k4 (min-1) 0,00033 0,00022 0,00137

[Fo] 3,169 10,382 3,226

r 0,9705 0,9907 0,9917

cido ac-tico

k5 (min-1) 0,081 0,089 0,09

[Aco] 6,899 7,684 8,567

r 0,9384 0,9696 0,9114

El coeficiente de correlacin r es altamente significativo en todos los casos, inclusive su-

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perior a los estudios realizados con anterio-ridad con otras matrices (Eken-Saraoluet al., 1997, Aguilar et al., 2002, Herrera et al., 2003), donde se aceptan valores de hasta 0,86 asumindolo como una buena correlacin, debido a lo complejo de la matriz polimrica donde hay mucha variedad de compuestos que pueden interferir durante la hidrlisis y una gran heterogeneidad en el medio de re-accin al estar el sustrato en fase slida y el cataltico en fase lquida. Esto indica que los datos se ajustan adecuadamente a los mode-los seleccionados.

Los parmetros cinticos mostrados en el cuadro 5 pueden ser correlacionados con la concentracin de cido por medio de la ecua-cin 10 y se obtiene un modelo generalizado para las tres concentraciones (cuadro 6), el cual se utiliza posteriormente para encontrar el punto ptimo.

de igual manera, se puede predecir la con-centracin de glucosa mediante un modelo generalizado correlacionndola con la con-centracin de cido por medio de la ecuacin 13. Las ecuaciones 14 y 15 muestran las mis-mas correlaciones para el caso del furfural y del cido actico respectivamente. Estos modelos cinticos son vlidos dentro del ran-go estudiado.

cuadro 6. Modelos generalizados para la prediccin de los parmetros cinticos de la hidrlisis con H2So4 diluido de cscara de

pia a 98 C

Producto modelo generali-zado

r

Generacin xilosa

k1=0,00649Ca1,18

(11) 0,9998degrada-

cin xilosak2=0,00074Ca

-0,07 (12) 0,8683

Glucosa k3=0,00438Ca0,73

(13) 0,9873Furfural k4=0,00008Ca

1,48

(14) 0,9801cido actico

k5=0,07624Ca0,1

(15) 0,9593

Es importante recordar que el objetivo prin-cipal de la optimizacin fue obtener una alta concentracin de xilosa, con una baja con-centracin de inhibidores (furfural y cido actico) y de glucosa con el fin de que el pos-terior paso de fermentacin sea ms eficiente. Tomndolo en cuenta, se realiz una optimi-zacin general usando los modelos anteriores donde se obtuvo las mejores condiciones de hidrlisis con una mayor concentracin de xilosa. Estos datos se muestran en cuadro 7.

cuadro 7. Condiciones ptimas obtenidas con la herramienta Solver de la hoja de clculo Excel de Microsoft

[h2So4](% v/v)

Tiempo (min)

[Xilosa] (g/l)

[glucosa] (g/l)

[cido acti-co] (g/l)

[furfural] (g/l)

2 217 24,37 2,80 7,72 0,154 120 26,21 2,69 7,72 0,236 83 26,90 2,61 7,71 0,29

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Como se observa, al utilizar una concentra-cin de cido sulfrico del 2% v/v la mayor concentracin de xilosa se obtiene a los 217 minutos (24,37 g/L), mientras que al 4% v/v se obtiene un mximo de 26,21 g/L a los 120 minutos y al 6% v/v se consigue casi la mis-ma cantidad (26,9 g/L), pero en un tiempo mucho menor de 83 minutos. En cuanto a la concentracin de glucosa y cido actico la concentracin mnima obtenida fue casi la misma en todos los casos, mientras que la cantidad de furfural aument conforme in-crement la concentracin de cido.

Tomando en cuenta estos resultados y con base en la concentracin potencial de xila-no (Yo) la cual corresponde a 28,40 g/L, se observa que durante la hidrlisis con H2So4 al 2% v/v la mxima cantidad de xilosa pro-ducida con una mnima concentracin de productos secundarios corresponde al 86% de yo, mientras que con H2So4 al 4% v/v se alcanz el 92%; para el caso de la hidrli-sis con cido al 6% v/v el aumento fue muy poco alcanzando casi el 95%. Esto demuestra la efectividad de las condiciones de la hidr-lisis cida, adems, indica que la cscara de pia es un sustrato muy adecuado para la ob-tencin de xilosa.

Con base en los datos obtenidos en el cuadro 5 se puede concluir que las mejores condicio-nes de hidrlisis de desechos de cscara de pia con H2So4 a 98 C bajo las condiciones estudiadas son las siguientes: concentracin de H2So4 de 6% v/v y un tiempo de reaccin de 83 minutos.

Esto porque a pesar de que al hidrolizar con H2So4 al 4% v/v se obtiene casi la misma cantidad de xilosa que al 6% v/v, el tiempo empleado para obtenerla es mucho menor obteniendo concentraciones de glucosa y de cido actico aceptables para que no inhiban la produccin de xilitol. La concentracin de furfural obtenida es mayor que para las otras dos concentraciones, sin embargo es una can-tidad muy baja que no afectara la accin de

los microorganismos de fermentacin segn la literatura estudiada (Aguilar et al., 2002).

CoNClUSIoNES

Los desechos de cscara de pia son residuos potenciales para la obtencin de xilosa bajo condiciones sencillas de hidrlisis.

El alto contenido de xilano como fuente de xilosa proporciona un mayor valor agrega-do a este tipo de materiales lignocelulsi-cos producto del procesamiento industrial de la pia.

La mxima produccin de xilosa durante la hidrlisis cida a 98 C alcanza valores alre-dedor del 95% del xilano potencial.

Las condiciones ptimas para obtener una mayor produccin de xilosa con menor con-centracin de inhibidores bajo las condicio-nes estudiadas son: H2So4 al 6% v/v, tiempo de reaccin 83 minutos, temperatura 98 C de acuerdo al modelo cintico utilizado.

La presencia de glucosa en pequeas canti-dades es un indicador de que la reaccin de hidrlisis cida bajo las condiciones experi-mentales se lleva a cabo mayoritariamente sobre la hemicelulosa.

Los altos valores de k1 en comparacin con la k2 indican que las reacciones de formacin de xilosa son ms favorables que las de des-composicin.

bIblIogRAfA

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