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Evaluación de la fermentación de melazas para producción de etanol de segunda
generación a partir de residuos orgánicos de las plazas de mercado del municipio de
Soacha Cundinamarca.
Una Tesis Presentada Para Obtener El Título De
Tecnólogo en Gestión Ambiental Y Servicios Públicos
Universidad Distrital, Bogotá
Jhon Fredy Caballero Williams
Mayo 2015.
Tabla de contenido
Resumen ejecutivo ............................................................................................................................ 3
1. Introducción .............................................................................................................................. 4
2. Objetivos ................................................................................................................................... 5
3. Marco Referencial ..................................................................................................................... 6
3.1 Normatividad .............................................................................................................................. 7
3.2 Antecedentes ........................................................................................................................... 10
5 Metodología ................................................................................................................................ 21
6.Resultados .................................................................................................................................. 25
7. Análisis de Resultados .............................................................................................................. 32
8.Conclusiones .............................................................................................................................. 44
Recomendaciones ............................................................................................................................ 45
Anexos ............................................................................................................................................ 46
Anexo D .......................................................................................................................................... 49
Registros fotográficos elaboración de melazas ................................................................................ 49
Bibliografía ..................................................................................................................................... 52
Resumen ejecutivo
Los niveles de contaminación en el aire por el uso de combustibles fósiles y la acumulación de
residuos orgánicos en los rellenos sanitarios, hacen que la producción de Bioetanol como un
combustible de origen orgánico en una prioridad estratégica en la actualidad. A través de su uso
reducirá las emisiones de los vehículos y motores. El creciente número de vehículos en el área es
responsable de la emisión de grandes cantidades de contaminantes a la atmosfera en la zona de
Soacha municipio de Cundinamarca, las emisiones producidas generan afectaciones a la calidad
del aire, la salud y contribuyen al calentamiento global.
El agotamiento progresivo de los recursos energéticos basados en gran medida a través de los
combustibles no renovables y el consumo excesivo de energía, genera un deterioro de los
recursos naturales. Sin embargo un mecanismo para reemplazar o aumentar los rendimientos de
los combustibles fósiles se ha establecido, mediante el uso de biomasa orgánica con el fin
mantener la producción y reducir los costos. Actualmente se habla de que los residuos generados
en Soacha son 6.000 toneladas por mes que se disponen en el relleno sanitario, donde el
porcentaje de residuos orgánicos es en promedio del 49%. La fuente de los residuos orgánicos
para el proyecto se puede obtener en los supermercados, fruvers, fruterías y restaurantes.
Según Tejada et al. (2010) “En el caso de Colombia, las cifras del Ministerio de Ambiente,
Vivienda y Desarrollo Territorial indican que en un día el país produce 27.300 toneladas de
basura de las cuales el 65% son residuos orgánicos” (p.121). Además el país ocupa el lugar diez a
nivel mundial con una producción de banano de 2.034.340 Ton. En cuanto a los cítricos se ocupa
el lugar diecisiete en producción a nivel mundial con una producción de1.257.839 Ton y de los
cuales aproximadamente el 70% es de naranja y el 30% restante representa la parte de producción
de mandarina y limón. (cortez wiilliam, 2013).
Palabras clave: Combustibles, Bioetanol, Residuos Orgánicos, Biomasa, Energía.
1. Introducción
El desarrollo del proyecto se genera mediante la evaluación de melazas para la producción de
Etanol de segunda generación a partir de residuos Sólidos Orgánicos obtenidos de las plazas de
mercado ubicadas en el municipio de Soacha Cundinamarca. Con el propósito de disminuir
directamente la contaminación ocasionada por los residuos orgánicos en la plazas de mercado de
Soacha y con el interés de evaluar la generación de melazas para la producción de Etanol.
Actualmente el Sena del Centro Industrial de Desarrollo Empresarial tiene un proyecto de
investigación titulado Sistema de producción de un biocombustible de segunda generación
(Etanol) evaluando residuos de las plazas del Municipio de Soacha como estrategia para
fortalecer las competencias de los Tecnólogos de Química Industrial del CIDE (Centro Industrial
y de Desarrollo Empresarial -Soacha), del cual se desprende una línea de investigación para la
formulación del trabajo de grado titulado :Evaluación de la fermentación de melazas para
producción de etanol de segunda generación a partir de residuos orgánicos de las plazas de
mercado del municipio de Soacha Cundinamarca. Proyecto el cual se desarrollará por el semillero
de investigación CIDEINNOVA.
Con el propósito de generar energías alternativas y analizar su impacto positivo para el medio
ambiente, se platea la producción de etanol de segunda generación a partir de residuos sólidos
orgánicos; resaltando la importancia de encontrar una solución económica y ambientalmente
viable tanto parta la producción de energía, como para la eliminación de residuos orgánicos
mediante la obtención de melazas para contribuir a la solución de la problemática actual de
residuos generados en las plazas de mercado del municipio de Soacha Cundinamarca.
Cundinamarca al ser uno de los departamentos que más aporta para el PIB nacional, requiere de
forma prioritaria ampliar, de modo sostenible, su productividad y competitividad. A esto se suma
que Colombia siendo un país en su mayor parte agrícola, produce biomasa residual que no está
siendo aprovechada, la biomasa en un gran porcentaje contiene grandes cantidades de carbono,
oxígeno e hidrógeno, elementos que pueden producir reacciones exotérmicas, liberadoras de
energía. Por lo tanto, además de proporcionar mayor seguridad al suministro energético, reduce
los impactos ambientales asociados a la utilización de combustibles fósiles y la cantidad de esta
biomasa residual en los rellenos sanitarios donde son dispuestos finalmente. Todo esto muestra
que es una alternativa económica, ambiental y socialmente viable, con significativo potencial de
expansión, de tal manera que se pueda generar un modelo productivo que puede ser adaptado e
implementado en contextos similares.
El presente trabajo de grado bajo la modalidad de Investigación-Innovación, se encuentra
desarrollado en la línea de investigación de Energías Alternativas pertenecientes al proyecto
Curricular de Gestión Ambiental y Servicios Públicos de la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas.
2. Objetivos
General
Evaluar la fermentación de melazas para la producción de etanol de segunda generación a partir
de residuos sólidos orgánicos obtenidos de las plazas de mercado de Soacha municipio de
Cundinamarca.
Específicos
Generación y medición de etanol a partir de la generación de melazas de residuos sólidos
orgánicos.
Reconocimiento de los procesos de fermentación mediante el análisis de la levadura
Cándida Utilis en laboratorio.
Identificación de las variables de fermentación para cada una de las melazas con el fin de
mejorar los rendimientos de producción y posibles métodos de replicación.
3. Marco Referencial
Fuente: Autor (2015)
Fuente: Autor (2015)
Según el estado de avance de los objetivos de desarrollo del milenio “Mientras la población del
país creció entre los años 1993 y 2005 a tasas de 18,8 por mil, Cundinamarca lo hizo a tasas de
24,6 y Soacha, a 45,6”. (PNUD, 2015). De esta manera se evidencia a grandes rasgos un
crecimiento poblacional muy denso, esto se puede deducir de su gran cercanía con la capital de
Colombia, otro aspecto importante que vale la pena destacar es la dependencia en cuanto a
servicios públicos y de transporte que tiene de Bogotá. De esta manera se debe tener en cuenta la
población flotante para el análisis de las características demográficas en el municipio de Soacha
Cundinamarca.
(Alcaldia de Soacha, 2015) Afirma “El territorio municipal, según el último plan de
ordenamiento territorial, se encuentra dividido en la zona urbana con una extensión de 22. Km²; y
la zona rural con un área de 161. Km²; para un total de 183 Km²”.
El 60% de la producción total de RS lo producen seis municipios: Soacha, Zipaquirá, Facatativá,
Chía, Fusagasugá y Girardot; de los cuales Girardot es el único que en la actualidad no dispone
sus RS en Mondoñedo. Actualmente los RS se están disponiendo así: El 78% de los municipios
utilizan botadero a cielo abierto, el 14% usan relleno sanitario y solo el 8% operan planta integral
de RS.
3.1 Normatividad
La legislación sobre emisiones y la creciente demanda de menor consumo de combustible y las
emisiones de CO2 antropogénico requieren importantes esfuerzos para mejorar la eficiencia de
combustión al tiempo que satisfácelas exigencias de calidad de emisión. (B.M. Masumn, 2012),
el etanol es utilizado con gran demanda como combustible alternativo un eficaz aditivo de la
gasolina debido a su alto nivel de octanaje, autosostenimiento, y variedad de fuente de obtención.
Él etanol como combustible sustituto de gasolina obtenido a partir de fuentes renovables. EL
etanol o bioetanol es más reactivo que los combustibles de hidrocarburos, como gasolina (Costa
RC, 2010) proyectándose como una alternativa de solución a la seguridad energética nacional,
reducción de dependencia del petróleo y lo más importante como alternativa de remediación
ambiental ya que proporciona más oxígeno en el proceso de combustión, lo que ayuda a la quema
completa, presión de vapor inferior reduciendo las emisiones de evaporación (ParkC, 2010).
3.1.2 Aspectos generales de la política de producción de combustibles.
La Política de Producción y Consumo Sostenible se orienta a cambiar los patrones insostenibles
de producción y consumo por parte de los diferentes actores de la sociedad nacional, lo que
contribuirá a reducir la contaminación, conservar los recursos, favorecer la integridad ambiental
de los bienes y servicios y estimular el uso sostenible de la biodiversidad, como fuentes de la
competitividad empresarial y de la calidad de vida. El capital natural de Colombia es el
patrimonio que heredarán las futuras generaciones y la fuente del desarrollo del país. Para
conservarlo, se requiere de un modelo de crecimiento económico diferente. Este nuevo modelo
parte de la eficiencia económica que evita externalidades y da el valor que corresponde a todos
los bienes y servicios ambientales y un cambio de paradigma hacia una producción cíclica, con
criterios ambientales a lo largo del ciclo de vida del producto. (Ministerio de Ambiente, 2010)
Desde entonces, para mejorar el desempeño ambiental de los sectores productivos, diversos
gobiernos de todo el mundo promueven la producción más limpia como una estrategia
complementaria a los instrumentos regulatorios. El principio central de la estrategia de
producción más limpia y conceptos asociados como el de eco-eficiencia, consideran que la
contaminación y la acelerada pérdida de recursos naturales constituyen un indicador de
ineficiencias en la producción y en el uso de productos y servicios. En la medida en que estas
ineficiencias son evitadas a través de la instrumentación de alternativas preventivas, los sectores
mejoran su desempeño ambiental y al hacerlo, obtienen beneficios económicos. (Ministerio de
Ambiente, 2010).
Ley 693 de 2001: Por la cual se dictan normas sobre el uso de alcoholes carburantes, se
crean estímulos para su producción, comercialización y consumo, y se dictan otras
disposiciones. Art. 1.paragrafo 1, Art.2, Art.3.
Resolución No. 18 0687 de Junio 17 de 2003 : Por la cual se expide la regulación técnica
prevista en la Ley 693 de 2001, en relación con la producción, acopio, distribución y
puntos de mezcla de los alcoholes carburantes y su uso en los combustibles nacionales e
importados. Art 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 16. 17, 18, 19, 20, 21, 22.
Resolución 18 1069 de Agosto 25 de 2005: Por la cual se modifica la Resolución 18 0687
del 17 de junio de 2003 y se establecen otras disposiciones. Modificasen los Art 1, 3,26.
Derogatoria del parágrafo del Articulo 10 de la resolución 180687 de 2003. Esta
resolución define "Alcohol Carburante: Compuesto orgánico líquido, de naturaleza
diferente a los hidrocarburos, que tiene en su molécula un grupo Hidroxilo (OH) enlazado
a un átomo de carbono. Para efectos de la presente resolución se entiende como alcohol
carburante al Etanol anhidro combustible desnaturalizado obtenido a partir de la
biomasa.”
Conpes 3510 de marzo 31 de 2008. Lineamientos de política para promover la producción
sostenible de Biocombustibles en Colombia.
Decreto 4892 de Diciembre 23 de 2011. Por el cual se dictan disposiciones aplicables al
uso de alcoholes carburantes y biocombustibles para vehículos automotores Art. 1.
Gasolina motor con porcentajes de mezcla obligatoria que variarán entre el 8% y el 10%
de mezcla de alcohol carburante en base volumétrica (E-8 - E-10 corriente y extra).
Decreto 2811 de 1974
Por el cual se dicta el Código Nacional
de Recursos Naturales
Renovables y de Protección al Medio
Ambiente.
Ley 9 de 1979 Código Sanitario Nacional.
Documento CONPES 2750 de
1994
Políticas sobre manejo de residuos
sólidos
Ley 693 de 2001
Por la cual se dictan normas sobre el
uso de alcoholes carburantes, se crean
estímulos para su producción,
comercialización y consumo, y se
dictan otras disposiciones.
Decreto 1713 de 2002 Prestación del servicio enmarcado en la
gestión integral
De los residuos.
Decreto 1505 de 2003
Por el cual se modifica parcialmente el
Decreto 1713 de 2002, en relación con
los planes de gestión Integral de
residuos sólidos y se dictan otras
disposiciones.
Resolución 1045 de 2003
Por la cual se adopta la metodología
para la elaboración de los planes de
gestión integral de residuos sólidos.
Ley 1083 de 2006 Capítulo II
Algunas disposiciones sobre gestión
ambiental. Art 7,8.
Decreto 4892 de 2011
Por el cual se dictan disposiciones
aplicables al uso de alcoholes
carburantes y biocombustibles en
automotores. (Artículo 1).
1 Tabla 1 Normatividad Ambiental
1 Fuente: IDEAM. Subdirección de Estudios Ambientales, con base en revisión de la normatividad expedida por las diferentes entidades gubernamentales
3.2 Antecedentes
SERVICIO DE ASEO Y RECOLECCION DE BASURAS.
La disposición final de residuos sólidos se realiza por medio del servicio prestado por
Servigenerales S.A. ESP; sin embargo en 252 viviendas la incineran y en 126 la arrojan a un lote
desocupado. El área rural y la Comuna 4 son las zonas donde la incineran o arrojan a un lugar
continuo a la vivienda, en ocasiones terrenos desocupados.
(Soacha-Cundinamarca, 2008)
DESCRIPCION AREA URBANA AREA RURAL TOTAL
No. de Viviendas con
servicio
de Aseo (SISBEN
Mayo de
2007)
73.748 338 74.086
Porcentaje de
Viviendas con
servicio de Aseo
99% 44%
No. Total de
Viviendas
74.493 769 75.262
Frecuencia en la
recolección
3 veces por semana
Tabla 2: ACUERDO No. 18- PLAN DE DESARROLLO de Soacha-Cundinamarca 2008-2011 (resultados por
vivienda).
DISPOSICIÓN
RESIDUOS
SÓLIDOS
Total
viviendas
La
recogen
los
servicios
públicos
de
aseo
La
entierran
La
Queman
La tiran
en
un patio,
lote
La tiran
en
un río,
caño,
laguna
La
eliminan
de otra
forma
Cabecera
Municipal
83302 82786 28 252 126 33 77
Comuna 4 14061 13850 14 112 43 19 23
Comuna 3 11883 11844 1 18 15 3 2
Comuna 6 14646 14592 3 37 7 2 5
Comuna 1 17920 17811 4 59 18 5 23
Comuna 2 9795 9744 1 19 24 1 6
Comuna 5 14997 14945 5 7 19 3 18
centro poblado 276 165 4 100 0 0 7
Rural 714 77 50 532 28 14 13
Total
100% 98,9% 0,07% 0,68% 0,17% 0,05% 0,10% Tabla 3: ACUERDO No. 18- PLAN DE DESARROLLO de Soacha-Cundinamarca 2008-2011
El mayor porcentaje de viviendas se encuentran concentradas en el área urbana, además cuentan
con una cobertura del servicio público de aseo del 99% (recolección barrido y limpieza), la
frecuencia de recolección es de 3 veces por semana. En el área rural la cobertura de un 44%
puesto que en muchas ocasiones por la ubicación entre predios se hace difícil el transporte y
recolección, además los costos de operación se verían reflejados en un alza en la tarifa dl servicio
público de aseo.
El territorio correspondiente a Soacha municipio de Cundinamarca esta subdividido entre la
cabecera municipal, las comunas 1, 2, 3, 4, 5, 6, el centro poblado y la zona rural. De acuerdo
con los descrito en el plan de desarrollo 2008-2011 el 98.9 % del total de residuos sólidos
generados son recogidos por las empresas prestadoras del servicio público de aseo tanto en el
área urbana como el área rural. El 0,05 % disponen los residuos sólidos en fuentes hídricas por lo
cual se puede siendo el menor porcentaje del total de la población quienes realizan esta práctica.
3.2.1 Precios Históricos de los Combustibles Bogotá (DEF) relacionada con PRECIOS DE
LA GASOLINA CORRIENTE MOTOR (PESOS CORRIENTES POR
GALONPROMEDIO ANUAL). Contiene información desde 01/01/1999 hasta01/10/2012
Año $/ galón
1999 2022
2000 2728
2001 3204
2002 3368
2003 4007
2004 4739
2005 5414
2006 5879
2007 6366
2008 7172
2009 7215
2010 7610
2011 8440
2012 8849
Fuente: UPME, Grupo de Hidrocarburos -Tabla 4 PRECIO MAXIMO DE VENTA AL PUBLICO INCLUIDA LA
SOBRETASA- ajustado por autor
3.2.2 Precios Históricos de los Combustibles Bogotá (DEF) relacionada con PRECIOS DEL
ACPM (PESOS CORRIENTES POR GALON PROMEDIO ANUAL). Contiene
información desde 01/01/1999 hasta01/10/2012
Año $/ galón
1999 1675
2000 2015
2001 2169,5
2002 2360
2003 2811
2004 3284
2005 3848
2006 4487
2007 5204
2008 5980
2009 5984
2010 6436
2011 7383
2012 8079
Fuente: UPME, Grupo de Hidrocarburos-Tabla 5 PRECIO MAXIMO DE VENTA AL PUBLICO INCLUIDA LA
SOBRETASA- ajustado por autor
3.2.3 Precios Promedio de la Gasolina y el A.C.P.M en Colombia
Fuente Upme. Precios de Combustibles en Colombia. Grafica de las tablas 4 – 5
El precio de los combustibles de origen fósil es determinado por cada uno de los productores y
comercializadores puesto que en Colombia se encuentran bajo un régimen de libertad vigilada
teniendo en cuenta cada uno de la normatividad emitida por el ministerio de minas y energía.
Con este régimen se libera el margen minorista, es decir con el que se remunera la actividad de
las estaciones de servicio. Este es un régimen que le permite al distribuidor minorista establecer
libremente el precio de venta al público a través de su estación de servicio. Esto permitirá un
escenario de competencia sin ir en detrimento de los consumidores finales. (COLPRENSA, 2012)
3.3 Fundamentos químicos para la Producción de alcohol carburante
La gran mayoría de residuos sólidos orgánicos contienen un alto porcentaje de carbohidratos
razón por la cual se logra producir alcoholes de primera y segunda generación. A continuación se
presenta la molécula de la celulosa la cual está presente en las cascaras de banano, naranja y
maracuyá. La celulosa es un polímero de D-glucosa unida por enlaces glucosídicos β-1,4 que se
estructuran en largas cadenas lineales (microfibrillas) unidas por puentes de hidrógeno y fuerzas
de van der Waals intramoleculares, formando una estructura cristalina resistente a la hidrólisis y
regiones amorfas susceptibles a la degradación enzimática (Cuervo, Folch, & Rosa, 2009) por lo
tanto se pretende utilizar Hidróxido de sodio (NaOH) y ácido sulfúrico ( H2SO4) como reactivos
catalizadores con la finalidad de aumentar la velocidad de reacción de la mezcla.
En la fermentación alcohólica, además de los microorganismos, juegan un papel importante las
enzimas, sin éstas no es posible la realización de tan compleja operación. Son, por decirlo así, el
complemento de la actividad celular fermentativa. Además de los microorganismos y de las
enzimas se requiere que en el medio sobre el cual actúan se den unas condiciones especiales para
que el proceso llegue a completarse: pH, potencial de óxido-reducción, temperatura,
concentración de los nutrientes en el sustrato, entre otros. Ahora, los microorganismos que
ocuparán nuestra atención son las levaduras. (Ditta, 1995).
Según Ditta (1995) Las enzimas son sustancias orgánicas segregadas por los organismos vivos
que actúan en procesos fermentativos sin que sufran alteración.
Generación De Energía Por Biomasa:
Según (Arellano & Guzman, 2011) existen diversos métodos de bioconversión u obtención de
energía por biomasa entre los cuales podemos mencionar los siguientes:
Incineración de residuos municipales
Actualmente existen instalaciones para producir energía eléctrica a través de residuos sólidos
orgánicos. En primera instancia lo que busca esta técnica es el aprovechamiento y la eliminación
de los residuos, sin embargo, se considera una posibilidad para aprovechar la energía.
Actualmente no se han utilizado métodos para sacar el máximo provecho a la energía.
Producción de Metano
En la digestión anaeróbica se manejan tres aspectos: la eliminación de contaminantes, la
utilización de los residuos orgánicos como nutrientes y la generación de energía. Para el
aprovechamiento del biogás metano. Esto se lleva a cabo en pequeña escala en algunas granjas
donde se conjuntan los residuos orgánicos en un compartimiento donde se lleva a cabo la
digestión anaeróbica donde se genera gas, el cual es utilizado para cocinar.
Producción de Alcohol
El alcohol es producido por la fermentación de azúcar, para lo cual se utilizan caña de azúcar,
granos y algunas frutas de las cuales s puede obtener el azúcar. Para ello se utiliza el mismo
proceso para la producción de bebidas alcohólicas. La diferencia estriba en que en lugar de
utilizar el producto para beber, se destila y se mezcla con gasolina para formar el combustible
conocido como gasohol. El problema que se presenta en esta alternativa es que los países que
opten por ella, deben tener un superávit en la producción de la materia prima que se utilice, ya
que debido al crecimiento de la población, se le da prioridad a utilizar dicha materia como
alimento. (Arellano & Guzman, 2011)
3.3.1 Levadura utilizada para el proceso de Fermentación
Cándida utilis es un microorganismo popular para estudios fisiológicos sobre el metabolismo del
azúcar presenta actividad respiratoria alta, alto contenido de proteínas, buen perfil de
aminoácidos y la capacidad de utilizar una amplia gama de sustratos e clasifican entre los más
microorganismos interesantes por su contenido en proteínas, lo que puede representan el 50% del
peso seco, siendo el restante representado por lípidos, polisacáridos, etc. (Pinheiroa, Marlene,
Isabel, & Manuel., 2014 )
3.3.2 Fermentación alcohólica
En la fermentación alcohólica se origina a partir de la glucosa por medio de la participación de
enzimas, que las cuales producen acido pirúvico, que posteriormente es descarboxilado hasta
dióxido de carbono y acetaldehído, por último se obtiene etanol. Según (Garzón & Hernandéz,
2009) La glicolisis es una ruta catabólica en la cual la glucosa es convertida a dos moléculas de
piruvato, las cuales dependiendo de las condiciones, pueden tomar rutas diferentes, en la figura 3,
se muestra la ruta que toma el piruvato en condiciones anaerobias. A través del siguiente
diagrama se explica la Bioquímica del proceso de fermentación de la levadura Cándida utilis.
Tomado de (Garzón & Hernandéz, 2009)
Los productos de la fermentación para la obtención de alcohol carburante son: etanol de
composición química CH3-CH2-OH más dióxido de carbono CO2 en forma gaseosa y algunas
moléculas de ATP que consumen las levaduras para su metabolismo de manera anaerobia.
3.4 Hidrolisis Acida
El ácido sulfúrico (H2SO4) en el proceso de elaboración de las melazas se usa como agente que
hidroliza la celulosa, es importante suscitar que este compuesto es altamente corrosivo por lo
que es necesario manipularlo con todas las normas de seguridad en el laboratorio.
Glucosa
Glucolisis-Diez
reacciones
sucesivas Vía
Embden
Meyerhof
2 Piruvato- En
condiciones anaerobias
2 Etanol + 2 CO2
Se emplean altas temperaturas y ácidos diluidos que hidrolizan la hemicelulosa en azúcares
solubles en agua, en los residuos queda la celulosa y la lignina, esta última se extrae con
solventes orgánicos. El pre-tratamiento con ácidos mejora la hidrólisis de la celulosa, pero su
costo es alto en comparación con otros pre-tratamientos y requiere una neutralización del pH para
evitar la inhibición de la fermentación (Cuervo, Folch, & Rosa, 2009).
3.5 Hidrolisis Alcalina
Es la adición de bases diluidas a la biomasa y su eficiencia depende del contenido de lignina de
los materiales. El hidróxido de sodio diluido produce un hinchamiento, permitiendo un
incremento en el área de superficie interna reduciendo el grado de polimerización y cristalinidad
de la celulosa, causando la separación de las uniones estructurales entre la lignina y los
carbohidratos (Cuervo, Folch, & Rosa, 2009).
4 Materiales y Métodos
Para este proyecto de investigación se emplea un método de tipo cuantitativo de tipo
experimental, con análisis por comparación de parámetros que nos permita medir eficiencia en
los procesos fermentativos de las melazas obtenidas de tres distintos tipos de residuos.
4.1 Medio de cultivo
Son las soluciones nutritivas que se usan en el laboratorio para el cultivo de los microorganismos.
Para el incentivar el crecimiento de las levaduras se utilizó medio de cultivo Agar de Dextrosa y
Papa , es conocido como PDA por sus siglas en inglés, tiene la infusión de papa como fuente de
almidones y la dextrosa son la base para el crecimiento de hongos y levaduras. El bajo pH (3.5)
evita el crecimiento de las bacterias. Cuando se va a usar para el recuento de hongos y levaduras,
agregar al medio de cultivo una vez esterilizado y enfriado aproximadamente a 45ºC, 14 ml de
una solución estéril de ácido tartárico al 10% para obtener un pH aproximado de 3.5.
(PROVIOTEK, 2015). posteriormente se realizo la siembra de la levadura Cándida Utilis por la
tecnica de siembra por cuadriculas.
Imagen 1. Técnica de siembra por cuadriculas .levadura Cándida utilis por (autores 2015)
4.2 Crecimiento microbiológico
La velocidad de crecimiento es el cambio en el número de células o en la masa celular
experimentado por unidad de tiempo. Durante el ciclo de división celular, todos los componentes
estructurales de la célula se duplican. El intervalo para la formación de dos células a partir de una
supone una generación, y el tiempo transcurrido para que esto ocurra se llama tiempo de
generación. (Madigan, Martinko, & Parker, 2003)
4.3 Reactivos
El hidróxido de sodio (NaOH) es un compuesto de carácter básico, su función principal es
romper los enlaces lignoceluliticos; para la preparación de 1 litro se utilizó agua destilada 1000
ml y perlas de sodio 0.4 gramos. La concentración utilizada fue de 0.1 M.
El ácido sulfúrico (H2SO4) es un ácido fuerte, según lo expresado por (Wolfe, 1996) “cambia el
color de los diferentes indicadores como el papel tornasol, reaccionan con bases para producir
sales y agua”.
Las sales son fuente de nutrientes para que la levadura pueda metabolizar de manera anaerobia al
interior de su membrana celular, con la finalidad de aportar macronutrientes para el desarrollo
óptimo del microorganismo en el proceso de fermentación.
Fuente: Imagen 2 Autoclave. Tomada por Jhon Caballero en el laboratorio de Biotecnología del
Tecnoparque Sena Nodo Cazuca.
La autoclave es un artefacto utilizado en el proceso para la esterilización de las melazas, con el
fin de que no se contaminen con microorganismos que puedan ser perjudiciales para la etapa de
fermentación y diferentes a las levaduras de estudio.
Además se utiliza para esterilizar todos los instrumentos de laboratorio de material de vidrio y
metal; utilizados en todo el proceso de obtención de etanol.
Fuente: Imagen 3 .Cepa Levadura Cándida utilis. Tomada por Jhon Caballero en el laboratorio de
Biotecnología del Tecnoparque Sena Nodo Cazuca. La cepa utilizada una es levadura de fácil manejo
y acceso. En la fotografía se puede observar la levadura conocida como cándida utilis, la cual fue
sembrada en agar de papa dextrosa.
Fuente: Imagen 4 Destilador Tomada por Jhon Caballero en el laboratorio de Biotecnología del
Tecnoparque Sena Nodo Cazuca.
Para la elaboración de las melazas, es necesario garantizar la calidad de agua que se va a utilizar en cada
una de las muestras. Por lo tanto se utiliza un destilador de capacidad aproximada de 4 litros, es un
instrumento el cual lleva el agua a un punto de vaporización para dejarla sin impurezas.
Fuente: Imagen 5 Incubadora Tomada por Jhon Caballero en el laboratorio de Biotecnología del
Tecnoparque Sena Nodo Cazuca.
Fuente: Imagen 6 fermentador con sensor spark. Tomada por Jhon Caballero en el laboratorio de
Biotecnología del Tecnoparque Sena Nodo Cazuca.
La medición del porcentaje de alcohol obtenido de manera indirecta por medio de sonda y sensor medidor
de etanol que corresponde al porcentaje en volumen de etanol obtenido mediante la fermentación de los
residuos sólidos orgánicos.
Fuente: Imagen 7 reactor. Montaje de melaza con cascaras de maracuyá .Tomada por Jhon Caballero en
el laboratorio de Biotecnología del Tecnoparque Sena Nodo Cazuca.
Fuente: Imagen 8. Licuadora Industrial Tomada por Jhon Caballero en el laboratorio de Biotecnología del
Tecnoparque Sena Nodo Cazuca.
5 Metodología
5. 1 Diseño de reactores transformador de sustratos a partir de residuos orgánicos
Microorganismo empleado para la Fermentación: Cándida utilis.
Para el presente trabajo de grado se utilizaron cascaras de naranja (Citrus Sinensis), maracuyá
(Passiflora Edulis) y banano (Ananas Comosus), recolectadas de las plazas de mercado del
municipio de Soacha Cundinamarca. Posteriormente los residuos recolectados se someten a
lavado para eliminar los excesos de tierra que se encuentren en las cascaras de los residuos
orgánicos El siguiente paso es someterlos a secado en la incubadora a una temperatura de 60
grados centígrados, con el fin de deshidratar las cascaras; posteriormente se tritura con el fin de
dejar partículas de un tamaño aproximado de 2 mm. Para la elaboración de la melaza alcalina se
realiza el siguiente Procedimiento. (Ver Anexo A)
Se obtiene una la melaza a la cual se le hace un prensado con el que se extrae el jarabe
(mosto) en condición alcalina el cual queda en un pH entre 11-12. Este mosto debe ser
acidificado a un pH de 4.5 con H2SO4 al 5% en el que el la Cándida utilis realiza la
fermentación. Esta melaza es enriquecida con Amonio Sulfato como fuente de nitrógeno y se
lleva a autoclave a esterilización y se inocula con la levadura para iniciar la fermentación.
(Melaza 1)
Después de este procedimiento se realiza la hidrolisis ácida2 con digestión en H2SO4 al 5 % a los
residuos sólidos generados de la hidrolisis Alcalina. (Ver anexo B) Esta melaza también se
acondiciona el pH a 4 -4.5 con NaOH a 1 M y se lleva a autoclave, finalmente se inocula con las
levaduras. (Melaza 2).
Para realizar el conteo del crecimiento de las levaduras (Cándida utilis), se utilizara la cámara de
Neubauer; Se trata de una gruesa placa de cristal con forma de portaobjetos, de unos 30 x 70 mm
y unos 4 mm de grosor. En una cámara simple, la porción central, que es donde se realiza el
conteo, está dividida en 3 partes. En la parte central se encuentra grabada una retícula
cuadrangular. En el caso de cámara doble, que son las más comunes, existen 2 zonas de conteo,
una superior y otra inferior al eje longitudinal de la cámara. La retícula completa mide 3 mm x 3
mm de lado. Subdividida a su vez en 9 cuadrados de 1mm de lado cada uno. (Bastidas, 2014).
5.2 Cuantificación de parámetros para medir el grado de eficiencia de fermentación.
La metodología empleada para cuantificar el rendimiento de la fermentación con cada uno de los
microorganismos empleados se describe a continuación:
Cuantificación indirecta de %Etanol en función del tiempo de fermentación por medio de
sensores Pasco (equipo spark ver anexos), en reactor de 250 mililitros.
Cuantificación de gasto de sustrato, durante el tiempo de fermentación (cada hora),
mediante la medición de los grados Brix o porcentaje de azúcar, por medio de un
refractómetro - sacarímetro.
Conteo en cámara de Neubauer de levaduras Vs tiempo.
Los datos obtenidos son graficados y contrastados para su análisis.
5.3 Diseño estadístico Anova (Análisis de Varianza)
Los resultados obtenidos se analizaran mediante fórmulas encontradas en (Spiegel, Shiller,
Srinivasan, & Stephens, 2009 ). y posteriormente se indexan al software Microsoft Excel. Para
corroborar los resultados obtenidos.
Es un método estadístico. Se utiliza para comparar resultados obtenidos en diferentes procesos y
métodos llevados a cabo en laboratorios.
2 Se utiliza H2SO4 como catalizador.
5.3.1 Hipótesis Estadísticas
Cuando se deben tomar decisiones. Es útil hacer suposiciones, o conjeturas, acerca de las
poblaciones o muestreos relacionados. Las suposiciones, que pueden ser verdaderas o no, se
llaman hipótesis estadísticas y, en general son afirmaciones acerca de las distribuciones de
probabilidad de las poblaciones. (Spiegel, Shiller, Srinivasan, & Stephens, 2009 ).
Para trabajar con este método se deben realizar hipótesis de trabajo, que permitirán luego por
medio de los datos tomados ser comprobadas o no y alcanzar resultados satisfactorios. Se basa en
el análisis de la varianza.
Hipótesis: Prueba o no un parámetro. Consiste en verificar un supuesto sobre la
población.
Hipótesis nula: Consiste en una afirmación sobre algún parámetro que cumple la
población la cual se estudiara por medio de una muestra.
Hipótesis Alterna: Es igualmente una afirmación pero generalmente niega la hipótesis
nula.
5.3.2 Pruebas de Hipótesis y Significancia
Si se supone que una hipótesis en particular es verdadera, y se encuentre que los resultados
encontrados en una muestra aleatoria difieren notablemente de aquellos esperado bajo la hipótesis
basada solo en la coincidencia, con base en la teoría del muestreo, se puede decir que las
diferencias observadas son significativas e inclinarse a descartar la hipótesis. (Spiegel, Shiller,
Srinivasan, & Stephens, 2009 )
5.3.3 Nivel de significancia
Al comprobar una hipótesis, la probabilidad máxima que se estaría dispuesto a cometer un error
de tipo uno, se llama nivel de significancia de la prueba. A menudo esta probabilidad se
especifica antes de tomar una muestra, para que los resultados que se obtengan no influyan en la
decisión. (Spiegel, Shiller, Srinivasan, & Stephens, 2009 )
5.4 Procedimiento de análisis de varianza :
5.4.1 Establecer hipótesis.
5.4.2 Hallar el estadístico F tabla (ver anexo C).
5.4.3 Hallar el estadístico de prueba , para ello se tiene en cuenta
5.4.4 (Fórmula para calcular el estadístico F de prueba)
5.4.5 Regla de decisión: La hipótesis nula se rechaza si F calculada es mayor que F en tablas.
(Por medio de grados de libertad).
5.5 análisis de Resultados – estimación de rendimiento.
Para el Análisis de resultados se tomaron referentes de artículos científicos para la obtención de
alcohol carburante de segunda generación, los cuales permitirán determinar la eficiencia y las
condiciones de operación (PH, temperatura porcentaje de azucares, tiempo de fermentación entre
otros que tuvieron los microorganismos empleados en los procesos de fermentación.
5.5.1 Coeficiente de Correlación de Karl Pearson
El coeficiente de correlación es solamente uno de los estadísticos que existen para medir el grado
de asociación entre variables, lo cual depende de la clase de variables analizadas (categórica,
continua, etc.). Una referencia más amplia de los diversos estadísticos existentes es Liebetrau
(1983).
5.6 Tinción de Gram
Con el fin de determinar características taxonómicas de las levaduras, se realizó la técnica de
tinción de Gram en laboratorio.
Imagen 9. Observación en el microscopio, objetivo 10x por autor primer semestre del 2015
En el laboratorio se llevó a cabo una técnica conocida como la tinción de Gram la cual permite
identificar la morfología celular, el tamaño, la forma y su clasificación taxonómica (Gram
positivos o Gram negativos). De acuerdo con los resultados obtenidos en la tinción se determinó
que la levadura cándida utilis es de carácter Gram positivo de acuerdo a su visualización de color
violeta en el microscopio. (academia.edu, 2015)
6 Resultados
En este acápite se desarrolla la metodología propuesta en el capítulo 5 en la cual se describen los
resultados de cada uno de los procesos, que inicio con la el diseño de los reactores transformador
de sustratos a partir de residuos orgánicos y termina en la estimación de rendimientos de acuerdo
a lo observado en referentes teóricos.
Imagen 10 Montaje reactores transformadores de Sustratos a partir de residuos sólidos organicos autor primer
semestre del 2015
Para la primera fase de experimentación cuantitativa se utilizaron Erlenmeyer de 250 ml de
capacidad, el montaje de los reactores se realizó con cada una de los tipos de residuos; biomasa
de cascaras maracuyá, cascaras de banano y cascaras de naranja. Previamente se recolectaron los
residuos los cuales provienen de plazas de mercado cercanas, fruvers y tiendas en general.
Se tuvieron en cuenta artículos científicos para el diseño de los reactores, de manera que fueran
de fácil instalación y acceso, el proceso de selección y elaboración de las melazas se encuentran
descritos en los anexos A y B. para el montaje se utilizaron una plancha de calentamiento para
cada Erlenmeyer con cada tipo de sustrato, se conectó un sensor Pasco a un equipo spark en cada
tratamiento, para que el proceso tuviera condiciones anaerobias se colocó un tapón ubicado en la
boca del Erlenmeyer conectado a la punta del sensor.
Las variables Generadas dentro de la experimentación son:
Tipo de residuo y Tipo de hidrolisis.
Las Constantes generadas son:
Temperatura fermentación: 33ºC y PH inicial: 4.5
6.1 Resultados Medición Indirecta de etanol
Tabla 6 . Medición indirecta de etanol mediante sensor Pasco
Tiempo horas % etanol Banano % etanol Maracuyá % etanol Naranja
0 0.01 0.08 0.04
0.5 0 0.14 0.66
1 0.04 0.18 0.21
1.5 0.06 0.2 0.481
2 0.07 0.2 0.967
2.5 0.09 0.2 1.275
3 0.1 0.2 1.562
3.5 0.11 0.2 1.895
4 0.12 0.21 2.224
4.5 0.13 0.22 2.815
5 0.13 0.21 3.583
5.5 0.13 0.21 3.923
6 0.2 0.2 4.251
6.5 0.12 0.2 4.395
7 0.11 0.19 4.777
7.5 0.07 0.19 4.888
8 0.05 0.2 5.111
8.5 0.03 0.2 5.315
9 0.03 0.2 5.541
9.5 0.02 0.2 5.819
10 0.02 0.2 6.147
10.5 0.02 0.19 6.37
Tabla 6. Medición etanol
Tiempo horas
% etanol Banano
% etanol Maracuyá
% etanol Naranja
11 0.02 0.19 6.468
11.5 0.02 0.18 6.59
12 0.02 0.18 6.921
12.5 0.02 0.18 7.151
13 0.02 0.18 7.555
13.5 0.02 0.18 7.958
14 0.02 0.17 8.502
14.5 0.02 0.17 9.154
15 0.02 0.17 9.911
15.5 0.02 0.17 10.858
16 0.02 0.17 11.933
16.5 0.02 0.17 13.28
17 0.02 0.16 14.7511
17.5 0.02 0.16 16.473
18 0.02 0.16 16.716
18.5 0.02 0.16 14.312
19 0.02 0.16 11.47
19.5 0.02 0.16 10.073
20 0.02 0.16 9.35
20.5 0.02 0.16 8.681
21 0.02 0.16 8.151
21.5 0.02 0.16 7.861
22 0.01 0.16 7.59
Cuantificación de parámetros para medir el grado de eficiencia de fermentación. Elaborado por autor primer
semestre del 2015.
Los datos obtuvieron en laboratorio durante un tiempo de 28 horas y media, mediante un sensor de etanol
conectado al equipo spark.
Tabla 7 Grados Brix
Tipo de
Melaza/Tiempo (min) Banano R1 Banano R2 Banano R3 naranja R1 naranja R2 naranja R3 Maracuya R1 Maracuya R2
0 5,5 7 5,5 4 5,5 5 2,5 2,5
30 5 5 4,5 4,5 5,5 5,5 2,5 2,5
60 5 5 5 5 4,5 4,5 2,5 2,5
90 5 5,5 5 4,5 4,5 5 2 2
120 5 5,5 5,5 5 5,5 5 2 3,5
150 5 5 5 5 4,5 4,5 2 2,5
180 5 5 5 5 5 5 2 2,5
210 5 5 5 5 5 5 1,5 1,5
240 5 5 5 5 5 5 2,5 2,5
270 5 5 5 5 5 5 1 1,5
300 5 5 5,5 5,5 5 5 2 2
Estimación de rendimiento mediante refractómetro -elaborado por autor 2015
Tabla 6. Medición Etanol
Tiempo horas
% etanol Banano
% etanol Maracuyá
% etanol Naranja
23 0.01 0.15 7.15
23.5 0.01 0.15 6.962
24 0.02 0.16 6.7
24.5 0.02 0.16 6.528
25 0.02 0.17 6.315
25.5 0.02 0.17 6.098
26 0.03 0.16 5.951
26.5 0.03 0.17 5.774
27 0.03 0.17 5.682
27.5 0.03 0.17 5.543
28 0.03 0.17 5.455
28.5 0.03 0.16 5.265
Tabla 8. Concentración Celular y Grados Brix
Levadura (Cándida utilis) y Grados Brix en melaza de cascaras de naranja con hidrolisis alcalina. Por
autor primer semestre del 2015.
Tabla 9. Concentración Celular y Grados Brix
Observación/horas C. celular Grados Brix
0 280000 7
1 6750000 7
2 12000000 7
3 11500000 7
4 27500000 7
17 6250000 7
18 10250000 7
20 10500000 7
22 7750000 7
Levadura (Cándida utilis) y Grados Brix en melaza de cascaras de naranja con hidrolisis ácida. Por autor
primer semestre del 2015.
La concentración celular se mantuvo en crecimiento constante durante las primeras 4 horas, después de la
hora 17 empezó a decrecer, Por el contrario los grados Brix permanecieron constantes debido a que en la
observación en el microscopio se encontraron otros microorganismos y posiblemente la melaza estaba
contaminada con algas.
Observación/horas C. celular Grados Brix
0 170000 7 1 7000000 7 2 8000000 7
3 10000000 6,5 4 18750000 6,5
17 5250000 6,5
18 6000000 6,5 20 6500000 6,5 22 6500000 6,5
Tabla 10. Concentración Celular y Grados Brix
Observación/Horas C. Celular Grados Brix
0 1000000 6
1 5000000 6
3 3000000 6
4 10500000 6
5 12250000 6
17 11076923 6
18 11428571 6
21 13600000 6
22 10250000 5,5
Levadura (cándida utilis) y Grados Brix en melaza de cascaras de banano con hidrolisis ácida. Por autor
primer semestre del 2015
Tabla 11. Concentración Celular y Grados Brix
Observación/Horas C. Celular Grados Brix
0 0 6
1 160000 6
2 100000 5
4 90000 4,5
17 13750000 4
18 24000000 4
19 23000000 4
20 29500000 3,5
21 26750000 3,5
22 29000000 3
23 25250000 4
24 27750000 4
25 18750000 4
26 1750000 4
27 1720000 3,5
Levadura (cándida utilis) y Grados Brix en melaza de cascaras de banano con hidrolisis alcalina. Por
autor primer semestre del 2015
Tabla 12. Concentración Celular y Grados Brix
Observación/Horas C. Celular Grados Brix
1 60000 6,5
2 30000 6
3 90000 6
4 50000 6
5 170000 6
17 15000000 6
18 13500000 5,5
19 14500000 5
20 13750000 5
21 19750000 5
22 12750000 5
23 13250000 5
24 13750000 5
25 1250000 5
26 1720000 5
Levadura (cándida utilis) en melaza de cascaras de Maracuyá con hidrolisis ácida. Por autor primer
semestre del 2015
Tabla 13. Concentración Celular y Grados Brix
Observación/Horas C. Celular Grados Brix
1 7500000 5
2 340000 5
3 60000 5
4 48000000 5
5 4000000 5
6 11428571 5
7 13000000 5
17 70000 5
18 100000 5
20 200000 4
22 16000000 4
Levadura (cándida utilis) en melaza de cascaras de Maracuyá con hidrolisis alcalina. Por autor primer
semestre del 2015
7. Análisis de Resultados
En el diseño preliminar se tuvieron en cuenta factores como por ejemplo el impacto ambiental
positivo generado por el uso de Biocombustibles. En Colombia el uso de alcohol carburante
ayuda al “mejoramiento de la calidad de los combustibles utilizados en el país, como resultado de
la mezcla entre los biocombustibles y el combustible de origen fósil”. Según el (Ministerio,
2007). Permitiendo de esta manera el abastecimiento energético Nacional. El aprovechamiento de
residuos orgánicos para la producción de etanol es una elección efectiva con la finalidad de
disminuir los costos para las industrias a nivel local y nacional, además evita el uso frecuente
de productos importados los cuales generan sobrecostos en los procesos tecnológicos.
Para el análisis Estadístico se utilizó la metodología descrita en el capítulo cinco numeral tres. Se
planteó un anova de un factor (Grados Brix) con once observaciones y distribuidos por ocho
grupos siguiente manera:
Melaza con cascaras de banano
Melaza con cascaras de Naranja
Melaza con cascara de maracuyá
Los grupos son independientes entre ellos y las observaciones también lo son, empleando este
análisis estadístico la confiabilidad de los resultados es de un 95 %, el margen de error es de un
5%. Se plantaron las siguientes hipótesis de trabajo:
7.1 Hipótesis Nula:
Todas las melazas generan la misma cantidad de azucares para el crecimiento de
microorganismos.
7.2 Hipótesis alternativa:
Por lo menos existe una melazas que genera una cantidad de azucares diferente a las demás
para el crecimiento de microorganismos.
7.3 Fórmulas utilizadas:
Formula 1 (varianza en total)
Formula 2 (varianza entre grupos)
Formula 3 (Grados de Libertad numerador)
Formula 4 (Grados de libertad para el denominador)
Donde
a =número de grupos de la muestra
n = número de datos dentro de la muestra
Formula 5 (Promedio Aritmético)
Donde
n= número total de datos
X1…Xn = valores de los grupos
De acuerdo a los resultados obtenidos en las 11 observaciones de medición de grados Brix
(azucares) como el F de prueba tiene un valor de 111.43 y este valor es mayor que el F obtenido
de la tabla de distribución de Fisher se concluye que se rechaza la hipótesis nula por lo tanto
existen diferencias reales en la generación de azucares para el crecimiento de microorganismos
entre los diferentes tipos de melazas evaluadas.
Grafica 1 Distribución de Fisher- grados de libertad. Minitab 2015 español.
El Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (Ras 2000) define el
dióxido de carbono como: “Gas incoloro, inodoro y no tóxico que produce ácido carbónico
cuando está disuelto en agua. Se produce durante la degradación térmica y descomposición
(microbial) por microbios de los residuos sólidos”.
Según datos de proyección poblacional del Departamento Nacional de Estadística (Dane) para el
2015 la población total del municipio de Soacha es de 511.262 habitantes.
Según (Cundinamarca, 2014) la generación de residuos sólidos proyectada para el 2013 en el
municipio de Soacha es de 10.543,2 toneladas al mes.
Para el cálculo de la producción en el 2015 de residuos sólidos se utilizó la Tabla A.3.1
Asignación del Nivel de complejidad.
Nivel de complejidad Población en la zona urbana
(habitantes)
Capacidad económica de los
usuarios
Bajo <2.500 Baja
Medio 2.501 a 12.500 Baja
Medio alto 12.501 a 60.000 Media
Alto >60.000 Alta
Fuente: Guía RAS -001 TABLA A.3.1 ASIGNACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD.
Según la información Soacha tiene un nivel de complejidad Alto de acuerdo a la población
proyectada para el 2015.
Al asignar el nivel de complejidad posteriormente se determinó la producción de residuos sólidos
per cápita de acuerdo a lo estipulado en el titulo F Sistemas de Aseo Urbano del RAS 2000
mediante la TABLA F.1.2
Nivel de complejidad Valor mínimo Valor máximo Valor promedio
Bajo 0.30 0.75 0.45
Medio 0.30 0.95 0.45
Medio Alto 0.30 1.00 0.53
Alto 0.44 1.10 0.79
Fuente: RAS 2000-TITULO F- Valores típicos de la PPC para municipios colombianos.
Teniendo en cuenta e número total de la población y el nivel de complejidad Alto se procede a
realizar el cálculo de la producción de residuos sólidos para Soacha de la siguiente forma:
0.001
0.01
0.1
1
10
100
0 5 10 15 20 25 30
% e
tan
ol
tiempo en horas
Medición Indirecta De Etanol
banano
Maracuya
Naranja
Grafica 2 análisis resultados medición indirecta de etanol . Por autor primer semestre del 2015.
La medición del porcentaje de etanol se realizó de manera indirecta mediante un equipo spark
conectado a un sensor Pasco utilizado para la medición de etanol, la temperatura oscilo entre los
35 grados en la escala Celsius en un tiempo de 29 horas con un monitoreo constante. Todas las
melazas evaluadas tuvieron un tipo de hidrolisis alcalina. El promedio obtenido de etanol en la
melaza de naranja fue de un 6.5 %, en la melaza de Maracuyá de 0.18% y en la melaza de banano
un 0.04 %
En primer lugar la melaza de mayor rendimiento en relación al porcentaje de etanol generado fue
la elaborada con cascaras de naranja, en segundo lugar la melaza de maracuyá con un obtuvo un
porcentaje de etanol bajo y por último la melaza de banano registro un el porcentaje
significativamente bajo de etanol, razón por la cual se descarta para una posible utilización como
un posible residuo para la obtención de Bioetanol carburante de segunda generación.
Grafica 3. Análisis Curva de crecimiento levadura Cándida utilis Por autor primer semestre del 2015.
Los residuos Orgánicos como las cascara de Banano, Maracuyá, Naranja son un medio al que la
Cándida utilis se puede adaptar para su crecimiento, sin embargo el crecimiento no solo depende
del sustrato, sino también de condiciones como PH, temperatura y tiempo de fermentación.
En Cada una de las tablas presentes en el capítulo de resultados se obtuvo una concentración
celular la cual fue determinada por la observación constante en el microscopio, y conteo en la
cámara de Neubauer estos datos influyen en la fase de adaptación y crecimiento de la cándida
utilis para conocer su viabilidad en cuanto a la producción de Etanol.
De la gráfica se puede inferir que durante los primeros minutos correspondientes a la fase de
adaptación, el microorganismo empleado para la investigación tiene una replicación en aumento,
exceptuando el sustrato elaborado con cascaras de naranja y con un tipo de hidrolisis alcalina
medio en el cual permanece constante su crecimiento. Posteriormente en la fase de crecimiento
exponencial se evidencia un crecimiento importante de la levadura en todos los sustratos en los
cuales fue inoculada. Al transcurrir de los minutos se evidencia la fase estacionaria en la cual la
cándida utilis se estabiliza en el sustrato, en los últimos minutos del proceso de fermentación la
levadura ha alcanzado su mayor crecimiento, esto se evidencia por la generación de etanol y
dióxido de carbono. Por último el microorganismo al obtener el sustrato necesario y estabilizarse
inicia su etapa de muerte.
7.4 Balance elemental
Biomasa + Agua YCO2 +XC2H6O+Z NH3
C-H-O-N + W H2O Dióxido de carbono + Etanol +Amonio
7.4.1 Cálculos
El cálculo base se realizó con una tonelada, con un porcentaje de humedad del 49%.
O, 51 Ton de material orgánico- Peso seco.
O, 48 carbono* 0,51= 0,2448 tonelada de Carbono.
0.064 hidrogeno* 0.51= 0.0326 tonelada de hidrogeno
0.376 xigeno *0.51= 0.19176 toneladas de oxigeno
Fermentación
7.4.2 Ecuaciones
1. C: c= 2x + y
2. H: h+2w = 6x
3. O: o+w = x+2y
4. N: Z
A la ecuación (3) la multiplicamos por 2 para eliminar una variable quedando de la siguiente
manera:
2o+2w = 2x+4y
Posteriormente restamos de la ecuación (2) la ecuación (3)
h+2w=6x
-2o -2w= -2x-4y
Quedando como resultado (4)
h-2o = 4x-4y
Despejamos (y) de la ecuación (1) quedando de la siguiente manera:
Y= c-2x
Reemplazamos (y) en la ecuación (4)
h-2o = 4x-4(c-2x)
h-2o = 4x-4c+8x
h-2o = 12x-4c
Después despejamos (x)
Reemplazamos los valores obtenidos:
Y= c- 2x
Y = c – 2(0,00753)
Y= 0,0204- 0,015
De la ecuación (3) despajamos w quedando de la siguiente manera:
W= x+2y-o
W= 0,00753 + 2(0,054) – 0,0119
W= 0,00753 + 0,018 – 0,019
Reemplazando en la ecuación (4)
7 Entradas al sistema =
Biomasa seca = 0,51 toneladas
Agua= 0,1157 toneladas
8 Salidas del sistema =
Etanol= 0,3463 toneladas
Dióxido de Carbono= 0,2376
Amonio= 0,0309
Elaborado por Autor (2015)
En el balance no se tuvo en cuenta la cantidad de azufre por lo tanto difieren un poco los
resultados obtenidos a la entrada del sistema en comparación a los de la salida. Es un sistema
dinámico ya que se caracteriza porque sus propiedades varían con el tiempo. El Sistema de
fermentación a partir de residuos orgánicos contiene un proceso físico, químico y
microbiológico.
En el sistema entra carbono, oxigeno, hidrogeno y nitrógeno proveniente de los residuos
organicos utilizados en el proceso, posteriormente se agua destilada. El siguiente proceso es
inocular las levaduras (cándida utilis) para iniciar el proceso de fermentación. Se estimó que las
salidas del proceso son, dióxido de carbono (CO2), Etanol (CH3-CH2-0H), productos de la
fermentación de la levadura.
Imagen 11. Conteo de células de la levadura Cándida Utilis en la cámara de Neubauer en el microscopio en un
objetivo de 10 x- Por autor.
El conteo de la concentración celular se realizó en un microscopio de alta calidad, teniendo en cuenta la
utilización de la cámara de Neubauer, en la imagen se evidencia el microorganismo Cándida utilis
obtenida comercialmente, se evidencio en el proceso su crecimiento lento y adaptación en la melaza a
base de cascaras de naranja y de tipo de hidrolisis alcalina.
Grafica 4 analisis de grados Brix. Por autor primer semestre del 2015.
La cuantificación de azucares fermentables en las melazas elaboradas, se realizó mediante el
seguimiento con el refractómetro, teniendo en cuenta los resultados obtenidos en laboratorio se
puede deducir que los reactivos como el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio, funcionaron
eficazmente en el rompimiento de la lignina en la melaza a base de naranja, por consiguiente los
microorganismos como la cándida utilis puede reproducirse en condiciones óptimas en este tipo
de melaza en relación a las otras elaboradas.
Conclusiones
1. Actualmente en Soacha municipio de Cundinamarca se producen 403 toneladas de
residuos sólidos por día de los cuales 197 corresponden a residuos Organicos, existe un
gran potencial para el procesamiento de éste tipo de residuos con el fin de obtener alcohol
carburante de segunda generación con el fin de disminuir la disposición en el relleno
sanitario nuevo Mondoñedo y mejorar el deterioro del componente paisajístico.
2. La obtención de alcohol etílico (Etanol) A través de residuos organicos como lo son las
cascaras de naranja, banano y maracuyá son una alternativa de solución al mezclarlo con
los combustibles de origen fósil utilizados convencionalmente en el país, contribuyendo a
la disminución del impacto ambiental generado por la combustión de los vehículos
automotores.
3. La cepa cándida utilis utilizada en el proceso de fermentación no se adaptó rápidamente
al sustrato como se esperaba desde un inició, por consiguiente en las gráficas de
resultados se ve evidenciado un cambio mínimo en la cantidad de azucares fermentables
(Grados Brix) en las primeras horas de iniciada la fermentación, sin embargo se logró
obtener un porcentaje de etanol esperado para el tipo de residuo tratado.
4. En la investigación se pudo comparar que costo y el beneficio de la producción de
Bioetanol depende del valor comercial de los reactivos utilizados durante el proceso de
fermentación, el uso de ácido sulfúrico e hidróxido de sodio son indispensables para
obtener el mayor porcentaje de etanol posible.
5. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos de la evaluación de la fermentación de
melazas, el sustrato en el que la levadura se a adapto de una mejor manera y logro
consumir la mayor cantidad de azucares generando un porcentaje en promedio de 6.5 %
de etanol, fue la melaza elaborada con cascaras de naranja y con un tipo de hidrolisis
alcalina; en la cual se utilizó hidróxido de sodio como catalizador.
6. El aprovechamiento de los residuos organicos es importante en Soacha municipio de
Cundinamarca, con el fin de disminuir la cantidad de residuos que son dispuestos en
rellenos sanitarios, también contribuye a disminuir el impacto ambiental generado en el
componente paisajístico por la disposición inadecuada de los residuos sólidos en calles,
andenes entre otros.
7. El estudio permitió determinar necesaria una fase de destilación posterior a la fase de
fermentación, para conocer el porcentaje de etanol producido a partir de melazas de
residuos sólidos organicos de manera directa.
8. La demanda energética a nivel local y global está en constante aumento debido al
crecimiento poblacional exponencial, por esto es importante el uso e investigación de
nuevas fuentes alternativas de energía las cuales sean amigables con el medioambiente y
económicamente viables.
9. Teniendo en cuanta la producción de residuos organicos (197 toneladas diarias) se puede
obtener 863 metros cúbicos de etanol en una planta a gran escala. Según el decreto 4892
de 2011 la mezcla obligatoria actual está entre 8% y 10 % en gasolina. Y para biodiesel
una mezcla entre el 5% y el 10%.
Recomendaciones
1. Se debe realizar mantenimiento preventivo a los equipos utilizados en el análisis de
datos Con la finalidad de obtener el porcentaje correcto de alcohol carburante
(etanol) a partir de residuos orgánicos como mezcla para los combustibles de origen
fósil como lo son la gasolina y el diésel.
2. Se puede utilizar otro tipo de levaduras como Zymomonas mobilis por medio de la
cual se genera una alta productividad de etanol, además tiene un crecimiento
exponencial y son tolerantes en un medio como el etanol.
3. Para el estudio y análisis estadístico se pueden utilizar diferente software como por
ejemplo SSPS, Systat entre otros.
4. Para una futura investigación se pueden utilizar residuos de podas, plantas de
beneficio de ganado u lodos de una Planta de tratamiento de agua residual.
5. Los materiales, herramientas y equipos a utilizar en el proceso de fermentación deben
estar esterilizados para que las melazas no se contaminen con microorganismos
patógenos.
6. El tiempo de elaboración y fermentación de las melazas es lento, por lo tanto se
debería buscar procedimientos para mejorarlos rendimientos de producción de
Bioetanol.
Anexos
Anexo A Diagrama 1: Flujo de obtención de melaza Alcalina
Fuente: (Lesly P. Tejeda, 2010) Adaptado por autor
Como fuente de nitrógeno se agrega 0.025g de Amonio de sulfato por cada 250ml de
melaza.
Se separa el material particulado de la solución
por prensión.
Como fuente de Nitrógeno se agrega 0.025g de Amonio de sulfato por cada 250ml de melaza.
Se sumerge en una solución de NaOH al 1 N durante 15
minutos.
Se obtiene la primera melaza, se ajusta el pH a
4,5
Anexo B
Diagrama 2. Método de obtención de melaza por Hidrolisis ácida.
Fuente: (Lesly P. Tejeda, 2010) Adaptado por autor
Con el residuo resultante. (Solido)
La hidrólisis se realiza regulada por una autoclave a una temperatura de 125 ºC y una presión de 15 Psi.
Se separa el material particulado de la solución por. Prensión.
Por cada 100 gramos de cascara de fruta se adiciona 50 ml de ácido sulfúrico H
2SO
4 (al 5%)
Se obtiene la segunda melaza, se ajusta el pH a 4,5.
Como nutrientes se agrega 0.025g de Amonio de sulfato por cada 250ml de
melaza.
Anexo C
Tabla de Distribución estadística de Fisher (0,05)
Tomado de: http://base-estable.lalaz.ru/tablas-de-estadistica-f/ - Tabla Estadística de Fisher
Anexo D
Registros fotográficos elaboración de melazas
Foto 2. Pesaje e hidrolisis de Cascaras. Tomada en el laboratorio de Biotecnología Nodo Cazuca por Jhon Fredy
Caballero.
Foto 3. Reactivos - Tomada en el laboratorio de Biotecnología Nodo Cazuca por Jhon Fredy Caballero
Foto 4. Autoclave con residuos sólidos orgánicos. Tomada en el laboratorio de Biotecnología Nodo Cazuca por Jhon
Fredy Caballero
Foto 5 . melazas alcalinas. Tomada en el laboratorio de Biotecnología Nodo Cazuca por Jhon Fredy Caballero
Anexo E
Medición indirecta de etanol
Foto 6. Spark y sensor Pasco para medición % de Etanol
Para la cuantificación del porcentaje de etanol producido por las melazas elaboradas a base de
cascaras de banano, naranja y maracuyá, se realizó un montaje con sensores Pasco, conectados a
un medidor de etanol para determinar la cantidad de etanol producido en un tiempo de 72 horas;
a una temperatura de 35 grados centígrados proporcionada por la plancha de calentamiento en la
cual están ubicados los Erlenmeyer con las melazas en su interior.
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