UNIVERSIDAD DE COSTA RICA PRIMER CONGRESO NACIONAL SOBRE FUENTES
ALTERNATIVAS DE ENERGÍA Y MATERIALES
OBTENCIÓN DE XILOSA A PARTIR DE
HIDRÓLISIS ÁCIDA DE DESECHOS LIGNOCELULÓSICOS EN LA PRODUCCIÓN Y
PROCESO INDUSTRIAL DE PIÑA (Ananas comosus) VARIEDAD MD2
Lic. Karla Ramírez Amador
M. Sc. Patricia Alvarado Aguilar M. Sc. Óscar Rojas Carrillo
Dr. Jose Vega Baudrit
Desventajas
Enfermedades
cardiovasculares
Desarrollo diabetes
Úlceras estómago
Desmineralizante + caries
Sacarosa
25% calorías ingeridas
INTRODUCCIÓN
1
Ventajas
Igual poder edulcorante.
Anticariogénico y sabor
agradable.
Asimilado por pacientes con
dificultad metabolizar.
Mejora propiedades
bioquímicas de huesos.
Previene otitis aguda.
Xilitol
INTRODUCCIÓN
2
Xilitol
C5H12O5
Xilosa
Figura 1. Estructura del xilitol y la xilosa (Lima et al. 2003)
OH OH
CH
OH
CH2 CH
OH
CH CH2
OH
O
OH
OH
OH
HO
3
En Costa Rica
Tradicionales: Café, banano
No tradicionales: Piña, Mango, Naranja
4
Piña
Tercera fruta tropical más importante
Nombre científico: Ananas comosus
Plantada debajo 600 mts elevación
Principal miembro comestible Bromeliaceaes
5
6
Corona
Fruto
Hojas
Tallo
Foto 1. Distribución de la planta de piña
(Ananas Comosus)
7
Figura 2. Toneladas exportadas en el 2010 de los
tres principales productos agrícolas. (PROCOMER,
2010)
Figura 3. Evolución de las exportaciones de piña
(millones US$) en el periodo 2006-2010 . (PROCOMER, 2010)
8
Procesamiento Piña: Índices contaminación
Enlatados : 80% peso original, desechos
Desechos al año: 192 000 TM
Crecimiento en producción
9
CELULOSA
CONSTITUCIÓN CÁSCARA PIÑA
HEMICELULOSA
LIGNINA
10
Celulosa:
40-60% de la biomasa.
Base estructural de células vegetales.
Sustancia natural más importante por su abundancia y su aprovechamiento tecnológico.
11
Celulosa:
Fórmula molecular (C6H10O5)n.
Homopolisacárido completamente lineal. (Barba, C. 2002)
Unidad básica: β-glucosa formando
celobiosa, que es la unidad más pequeña
que se repite en la cadena polimérica. (Barba, C. 2002)
12
Celulosa:
Cadena alargada. Las unidades de glucosa
en un solo plano por el enlace glucosídico.
Provoca que la estructura de la celulosa
sea altamente cristalina.
OHO
O
OH
CH2OH
O OHO
CH2OH
OH
O O
OH
CH2OH
OHOO
CH2OH
OH
OHO
Figura 4. Estructura de la celulosa (Barba, 2002) 13
Lignina:
Macromolécula más grande y compleja.
Sustancia polifenólica que encadena las
paredes celulares y las mantiene
unidas. (Fengel, D et al. 1984)
14
Figura 5. Estructura de la lignina (Fengel, D et al. 1984) 15
Hemicelulosas:
Resto de polisacáridos de los
lignocelulósicos.
Estructuras químicamente complejas,
constituidas de azúcares en cadenas
cortas y ramificadas unidas por puentes
hidrógeno. (Fengel, D et al. 1984)
16
Hemicelulosas:
Matriz soporte para microfibrillas de
celulosa en pared celular,
Menor peso molecular,
Más fácilmente degradadas y
Mayor capacidad de disolución
En estado natural, existe en forma
amorfa. (Morillo, M. 2002).
17
O
OH
OH
OH
HO
O
OH
OH
OHHO
Pentosas
Hexosas
Figura 6. Pricipales constituyentes de la hemicelulosa.
(Fengel, D et al. 1984)
CH2OH
O
OH
OH
OH
HO
CH2OH
O
OH
OH
HO
OH
O
OH
OH
COOH
OH
HO
Glucosa
Galactosa
Manosa
Xilosa Arabinosa
18
O
OH
OH
OH
HO
COOH
O
OH
OH
H3CO
COOH
OH
Ácidos hexurónicos
Grupos acetilos y desoxi-hexosas
O
OH
OH
COOH
OH
HOÁcidos Hexurónicos Ácidos
Metilglucorónicos
Ácidos
Galacturónicos
Figura 6. Pricipales constituyentes de la hemicelulosa.
(Fengel, D et al. 1984) (continuación) 19
Estudios realizados en POLIUNA
Lignina y celulosa:
Bagazo de caña de azúcar
Raquis de banano
Piña
20
Se crea un proyecto que complementa el
aprovechamiento integral de estos desechos.
Se basa en la hidrólisis ácida de la cáscara de
piña y la determinación de los parámetros
cinéticos de reacción, para identificar las
mejores condiciones del proceso.
21
Hidrólisis ácida hemicelulosa:
Azúcares simples
Productos descomposición
Xilosa
Ácido acético
Glucosa
Furfural
23
Estudio Cinético:
Principal objetivo: Determinar la k y su
dependencia de concentración, temperatura
y catalizadores (Chang, 1986).
En hidrólisis con ácido diluido:
Variación con el tiempo de los mayores
productos y
Optimizar la mayor producción de xilosa, con
menos inhibidores. (Eken-Saraçoğlu, 1997)
27
Estudio Cinético:
Estudios previos presentan modelos y
parámetros cinéticos específicos para
sustratos y condiciones limitadas de
reacción por la heterogeneidad de la
hemicelulosa.
Se usan modelos simplificados basados
en reacciones homogéneas de pseudo
primer orden.
28
k1 k2
Xilano (Y) Xilosa (X) Productos (1) descomposición
Donde:
k1 es la constante de velocidad de reacción de
xilosa producida (minˉ¹)
k2 es la constante de velocidad de
descomposición de xilosa (minˉ¹). (Saeman et al.
1945)
29
De la integración de la ecuación anterior se
obtiene la ecuación:
-k1 t -k2 t [X] = k1[Yo] e – e (2) k2-k1
Empleando un modelo similar se obtuvieron
las ecuaciones para los demás productos.
30
Glucosa: -k3 t [G] = [Go] * 1-e (3)
Furfural: -k4 t [F] = [Fo] * 1-e (4)
Ácido Acético: -k5 t [Ac] = [Aco] * 1-e (5)
31
Los modelos generalizados para los productos
pueden obtenerse por medio de la siguiente
ecuación:
n kj = koCa (6) Donde:
j es un integrador en el rango de 2 a 6
ko y n son parámetros de regresión
Ca es la concentración de ácido (Herrera et al. 2003)
32
CARACTERIZACIÓN CÁSCARA DE PIÑA
Humedad y cenizas (ASTM 1102-56)
α-celulosa (ASTM 1103-56)
Holocelulosa (ASTM 1104-56)
Lignina (ASTM 1106-56)
Solubilidad agua fría y caliente (ASTM 1110-56)
Solubilidad ciclohexano-etanol (ASTM 1107-56)
Xilano (TAPPI 223 cm-84)
34
Análisis Resultado
Humedad 7,46 % (± 0,01)
Cenizas 4,25 % (± 0,01)
Solubilidad agua fría 29,32 % (± 0,01)
Solubilidad agua caliente 30,93 % (± 0,01)
Solubilidad ciclohexano-etanol 24,74 % (± 0,02)
Lignina 9,05 % (± 0,02)
α-celulosa 41,19 % (± 0,01)
Holocelulosa 65,61 % (± 0,01)
Xilosa 24,99 g/L (± 0,04)
22 % (± 0,01)
Cuadro 1. Composición de la cáscara de piña seca y molida.
35
METODOLOGÍA HIDRÓLISIS
Muestra cáscara
piña
H2SO4 2, 4, 6% v / v
Toma muestra (t=20-350 min)
Filtración y dilución (1mL / 10mL)
Cuantificación HPLC
36
RESULTADOS ANÁLISIS HIDROLIZADO
Figura 8. Dependencia de la formación de xilosa, glucosa,
furfural y ácido acético durante la hidrólisis con H2SO4 al 2%
v/v a 98 ºC (± 0,05) con respecto al tiempo.
0
10
20
30
0 100 200 300 400
Tiempo (min)
Co
nce
ntr
ació
n (
g/L
)
Glucosa
Xilosa
Ácido acético
Furfural
24,2
2,31
0,36
7,9
38
RESULTADOS ANÁLISIS HIDROLIZADO
Figura 9. Dependencia de la formación de xilosa, glucosa,
furfural y ácido acético durante la hidrólisis con H2SO4 al 4%
v/v a 98 ºC (± 0,05) con respecto al tiempo.
0
10
20
30
0 100 200 300 400
Tiempo (min)
Concentr
ació
n (
g/L
)
Glucosa
Xilosa
Ácido acético
Furfural
24,5
3,6
0,79
7,9
39
RESULTADOS ANÁLISIS HIDROLIZADO
Figura 10. Dependencia de la formación de xilosa, glucosa,
furfural y ácido acético durante la hidrólisis con H2SO4 al 6%
v/v a 98 ºC (± 0,05) con respecto al tiempo.
0
10
20
30
0 100 200 300 400
Tiempo (min)
Concentr
ació
n (
g/L
)
Glucosa
Xilosa
Ácido acético
Furfural
24,7
4,75 1,15
8,13
40
Cuadro 3. Parámetros cinéticos de los productos de hidrólisis
con H2SO4 diluido de cáscara de piña a 98º C.
2%
H2SO
4
4%
H2SO
4
6%
H2SO
4 Modelo
Xilosa
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
[G] = [Go] * (1-e-k3t)
(3)
k3
(min-1) 0,0068 0,013 0,016
[Go] 2,721 3,497 4,358
r 0,9915 0,9908 0,9746
[X] = k1[Y
o] (e-k1 t – e-k2 t)
k2-k1
(2)
RESULTADOS ESTUDIO CINÉTICO
42
2%
H2SO4
4%
H2SO4
6%
H2SO4 Modelo
Furfural
[F] = [Fo] * (1-e-k4 t) (4)
k4 (min-1) 0,00033 0,00022 0,00137
[Fo] 3,169 10,382 3,226
r 0,9705 0,9907 0,9917
Ácido Acético
[Ac]= [Aco]*(1-e-k5 t) (5)
k5 (min-1) 0,081 0,089 0,09
[Aco] 6,899 7,684 8,567
r 0,9384 0,9696 0,9114
Cuadro 4. Parámetros cinéticos de los productos de hidrólisis
con H2SO4 diluido de cáscara de piña a 98º C.
RESULTADOS ESTUDIO CINÉTICO
43
Producto Modelo r
Generación Xilosa k1=0,00649Ca
1,18 (7) 0,9998
Degradación Xilosa k2=0,00074Ca
-0,07 (8) 0,8683
Glucosa k3=0,00438Ca
0,73 (9) 0,9873
Furfural k4=0,00008Ca
1,48 (10) 0,9801
Ácido Acético k5=0,07624Ca
0,1 (11) 0,9593
Cuadro 5. Modelos generalizados para la predicción de los
parámetros cinéticos de la hidrólisis con H2SO4 diluido
de cáscara de piña a 98º C.
kj = koCa n
(6)
RESULTADOS ESTUDIO CINÉTICO
44
[H2SO4]
(%)
Tiempo
(min)
[Xilosa]
(g/L)
[Glucosa]
(g/L)
[Ácido
acético]
(g/L)
[Furfural]
(g/L)
2 217 24,37
86% 2,80 7,72 0,15
4 120 26,21
92% 2,69 7,72 0,23
6 83 26,90
95% 2,61 7,71 0,29
Cuadro 6. Optimización de la hidrólisis de cáscara de piña
con H2SO4 diluido a 98º C.
45
CONCLUSIONES
Los desechos de cáscara de piña, son
residuos potenciales para la obtención de
xilosa bajo condiciones sencillas de hidrólisis.
La hidrólisis ácida de la cáscara de piña para
obtener xilosa, ofrece una alternativa
conveniente para la disminución de la
contaminación ambiental producida por este
desecho.
47
CONCLUSIONES
El alto contenido de xilano como fuente de
xilosa proporciona un mayor valor agregado a
este tipo de materiales lignocelulósicos
producto del procesamiento industrial de la
piña.
La máxima producción de xilosa durante la
hidrólisis ácida a 98º C, alcanza valores
alrededor del 95% del xilano potencial.
48
Las condiciones óptimas para obtener una
mayor producción de xilosa con menor
concentración de inhibidores son: H2SO4 al
6%, tiempo de reacción 83 minutos,
temperatura 98º C.
La presencia de glucosa en pequeñas
cantidades es un indicador de que la reacción
de hidrólisis ácida bajo las condiciones
experimentales se lleva a cabo
mayoritariamente sobre la hemicelulosa.
CONCLUSIONES
49
51
Figura 7. Reacción de hidrólisis ácida de los xilanos que
forman la hemicelulosa. (Fengel, D et al 1984 )
II `
O
O
OH
OH
HO
O
OH
OH
OH
H
III`
H
III
III
HO
OH
C
OH
OH
HO
O
OH
OH
OH
H 2O
O
HO
OH
OH
OH
O
OH
OH
HO
OH
H 2O
O
C
OH
OH
HO
H
O
HO
OH
OH
OH
H
O
O
OH
OH
HO
O
OH
OH
OH
H
O
O
OH
OH
HO
O
OH
OH
OH
24
25
C OH
C OHH
C
C
C
HH
HH
H
OH
OH
OH
HO
CH2OH
HO
C
C
OH
CHO
HC CH
HC C
O CHO
H2SO4
-H2O
D-xilosa Furfural
H2C
Figura 10. Formación de furfural a partir de xilosa. (Ladish, M. 1989)
26
O
OH
O
O
O
CH3
C
O
HO
O
OO
HO
OHO
O
COOHH
3CO
HO
OH
O
OH
HOO
O
OH
HOO
O
COOHH
3CO
HO
OH
O
HO
OHO
HO
O
O
O
OH
H
O
OC
O
H+
CH3
+OH
O-Acetil-4-O-metilglucoronoxilano
Figura 11. Formación del ácido acético a partir del
O-acetil-4-O-metilglucoronoxilano. (Oliva, J. 2003)
Cuadro 2. Metodología utilizada para la cuantificación y
caracterización del hidrolizado.
Xilosa
y glucosa
Ácido
acético Furfural
Fase móvil 0,1% H3PO4 CH3CN/H2O
1:8
Flujo (mL/min) 0,5 1
Detector IR UV-vis
(210 nm)
UV-vis
(280 nm)
Temperatura (º C) 30
Inyección (µL) 20
Columna Supelcogel ™ C-610H Phenomenex
C-18
37
RESULTADOS ANÁLISIS HIDROLIZADO
0
10
20
0 2 4 6
H2SO4 (%)
Co
nce
ntr
ació
n (
g/L
)
xilosa
glucosa
Ácido Acético
Furfural
Figura 11. Dependencia de la formación de xilosa, glucosa,
furfural y ácido acético con respecto a la concentración de
H2SO4 a los 100 minutos. 41
RESULTADOS ANÁLISIS HIDROLIZADO
Cuadro 7. Comparación de los valores de eficiencia del
catalítico (E) para las condiciones óptimas de hidrólisis ácida. (Herrera et al. 2003)
Material Ácido [ ] (%) T (º C) Tiempo
(min) E
Sorgo H2SO4 2 122 71 1,98
Sorgo H2SO4 6 100 60 2,07
Cáscara piña H2SO4 2 98 217 2,28
Cáscara piña H2SO4 4 98 120 2,46
Cáscara piña H2SO4 6 98 83 2,54
46