Protocolo explosion por vapor

SEP SEV
INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE
TIERRA BLANCA
INGENIERIA EN INDUSTRIAS
ALIMENTARIAS
Taller de Investigación
Obtención de azucares fermentables mediante hidrolisis
ácida y explosión por vapor de residuos agroindustriales
Unidad II
06 de Diciembre del 2013
TIERRA BLANCA, VER.
PRESENTA
Francisco Xavier Pulido Morales
Raúl Rosas Cruz
Tomasa Téllez Morales
Asesora
Dra. Beatriz Gutiérrez Rivera

Indice
1. Introducción
2. Marco teórico
Residuos agroindustriales en la cuenca del Papaloapan
Aprovechamiento de los residuos
Residuos agroindustriales
Cascarilla de arroz
Composición
Bagazo de caña
Composición
Rastrojo de maíz
Composición
Etanol como combustible alternativo
Etanol
Sustratos utilizados en la producción de etanol
Materias primas azucaradas
Materias primas ricas en almidón
Materias primas celulósicas
Levaduras
Fermentación
Pretratamientos de la biomasa
Hidrolisis ácida
Efecto de la hidrolisis ácida en los compuestos lignocelulosicos
Explosión por vapor
Factor de severidad
Efectos físico-químicos de la explosión de vapor como pretratamiento de
lignocelulosa
Compuestos inhibidores formados a altas temperaturas derivados de compuestos
lignocelulosicos.
Furfurales
Fenoles
3. Antecedentes
4. Justificación
5. Hipótesis
6. Objetivos
7. Metodología
8. Referencias

Obtención de azucares fermentables mediante hidrolisis ácida y explosión
por vapor de residuos agroindustriales
1. Introducción
En la actualidad problemas como la contaminación del ambiente, calentamiento
global y agotamiento de los recursos naturales son conceptos muy mencionados,
por tal motivo se han desarrollado investigaciones sobre la forma de evitar o
reducir en cierta medida estos problemas. El uso de combustibles provenientes de
desechos se convirtió en parte de la solución ya que además de aprovechar
materia orgánica que comúnmente era desechada, ahora es utilizada como un
biocombustible o para obtener otros productos de interés comercial.
Los residuos lignocelulósicos generados en la industria así como residuos del
campo son materiales considerados de poco valor y en algunos casos destinados
para alimentar ganado.
En la cuenca del Papaloapan existen un gran número de residuos de la
agroindustria que podrían ser utilizados como sustratos no convencionales; entre
estos residuos destacan; el bagazo de caña, la cascarilla de arroz y el rastrojo de
maíz, por su composición son clasificados como material lignocelulósicos y como
tal, representa un gran potencial como materia prima para la obtención de
disoluciones de azúcares útiles en procesos de fermentación. (Barragán et al
2008).
Por otro lado, la hidrólisis ácida para la producción de azúcares fermentables a
partir de materiales lignocelulósicos es considerada una manera prometedora de
producir combustibles y químicos, ya que son una fuente de materias primas que
no compite con los alimentos. Sin embargo, su aprovechamiento se ve limitado por
la fuerte asociación que existe en su estructura (lignina, celulosa, hemicelulosa),
por lo cual es necesaria la aplicación de pretratamientos que tienen como objetivo
desintegrar esta matriz compleja de tal manera que se mejore la hidrólisis
enzimática para la producción de azúcares especialmente glucosa. La explosión
por vapor tiene por objetivo precisamente el separar el complejo “lignina, celulosa
y hemicelulosa”, este proceso consiste en someter la biomasa a temperaturas que
en este caso van de 140-160 °C mediante la inyección directa de vapor saturado,
durante un intervalo de tiempo que va de 5-15 min., seguido de una rápida
despresurización. Como resultado, se obtiene un producto fibroso cuya celulosa
es más accesible a la hidrólisis enzimática. La explosión por vapor ha sido
reconocida como un método muy efectivo para el pretratamiento de maderas
duras y residuos agrícolas (Piñeros-Castro Y., 2011).

2. Marco teórico
Aprovechamiento de los residuos agroindustriales
Durante algunos procesos agroindustriales se generan subproductos o residuos y
si ellos no son reciclados o procesados apropiadamente, generan diversos
problemas ambientales. Algunos son quemados o vertidos en rellenos sanitarios
produciendo una gran liberación de dióxido de carbono, contaminación de cursos
de aguas, molestias por presencia de olores, proliferación de ratas, moscas, y
otros insectos, etc. Su eliminación supone un problema de gestión para las
empresas productoras. Sin embargo, estos materiales son fuentes especialmente
atractivas por su contenido en compuestos químicos (como azucares, pigmentos,
fibra alimentaria, proteína, polifenoles, lignina, etc.) y pueden ser potencialmente
útiles cuando se les transforma mediante tratamientos químicos o microbiológicos,
en productos de elevado valor añadido.
La biotecnología permite la bioconversion de residuos agroindustriales en
productos de interés comercial mediante procesos de extracción directos o de
transformación por via química o microbiológica. Algunos ejemplos de lo antes
mencionado son:
Cascarilla de arroz
Es un sustrato orgánico de baja tasa de descomposición, es liviano, de buen
drenaje, buena aireación y su principal costo es el transporte. El principal
inconveniente que presenta la cascarilla de arroz, es su baja capacidad de
retención de humedad y lo difícil que es lograr el reparto homogéneo de la misma
(humectabilidad) cuando se usa como sustrato único en camas. (Calderón, F.
2002)
Composición

Bagazo de caña
La caña de azúcar es una de las fuentes agrícolas más prometedores de la
energía de la biomasa en el mundo. La caña de azúcar produce principalmente
dos tipos de biomasa, bagazo de caña y bagazo. Bagazo de caña es el residuo
que queda después de la cosecha de campo de la Caña de tallo, mientras que el
bagazo es el residuo fibroso que queda después de la molienda de la caña, con
45-50% de contenido de humedad y que consiste en una mezcla de fibra dura, con
parenquimatosa suave y lisa (médula) tejido con alta propiedad higroscópica. El
bagazo contiene principalmente celulosa, hemicelulosa, pentosanos, lignina,
azúcares, cera, y minerales. La cantidad obtenida varía desde 22 hasta 36% en
caña y se debe principalmente a la porción de fibra en caña y la limpieza de caña
suministrada, la cual, a su vez, depende de las prácticas de recolección.
Por cada 100 toneladas de caña de azúcar triturada, una fábrica de azúcar
produce cerca de 30 toneladas de bagazo húmedo. El bagazo se utiliza a menudo
como una fuente primaria de combustible para los ingenios azucareros, cuando se
quema en cantidad, produce suficiente calor y energía eléctrica para abastecer
todas las necesidades de un típico molino de azúcar, con energía de sobra. Las
resultantes CO2 emisiones son iguales a la cantidad de CO2 que la planta de caña
de azúcar absorbida de la atmósfera durante su fase de crecimiento, lo que hace
que el proceso de gas de efecto invernadero-neutral cogeneración.
Composición
COMPONENTE PORCENTAJE
Celulosa 45 – 55 %
Hemicelulosa 20 – 25 %
Lignina 18 – 24 %
Ceniza 1 – 4 %
Ceras < 1%
Rastrojo de maíz
El cultivo del maíz produce una gran cantidad de biomasa, de la cual el hombre
cosecha apenas cerca del 50% en forma de grano. El resto, corresponde a
diversas estructuras de la planta tales como caña, hoja, limbos y mazorca entre
otros. La producción de biomasa residual que genera un cultivo de maíz de grano
(cañas, hojas, chalas y mazorcas), fluctúa entre 20 a 35 toneladas por hectárea y
en el maíz de choclo (cañas y hojas) varía entre 16 a 25 toneladas por hectárea.
La proporción entre los componentes del residuo depende principalmente de la
variedad, nivel de fertilización y tipo de cultivar.
Composición

Proporción de los diferentes componentes de una planta de maíz
Componente
Porcentaje del peso seco
del maíz
Panoja 12
Tallo 17.6
Chalas 8.9
Total caña 38.5
Mazorca 11.8
Grano 49.7
Total espiga 61.5
Cada una de estas estructuras posee características fiísico-químicas propias, lo
que le confiere un valor nutritivo muy diferente, dependiendo de si el residuo
corresponde a maíz de grano o maíz para consumo fresco. Los tallos presentan
las estructuras más lignificadas y de menor contenido de proteína bruta (3.1%) y
las hojas entre 4 y 7 %.
La pared celular presenta un mayor porcentaje de hemicelulosa que de celulosa.
El bajo porcentaje de lignina en los restos de la planta del maíz lo hace más
digestible que las pajas de cereales, siendo a su vez, más rico en azúcares
solubles. Por estas razones, este residuo presenta un valor energético superior al
de las pajas de cereales, fluctuando entre 1.69 y 2.1 Mcal/kg de materia seca.
Etanol como combustible alternativo
A nivel mundial, aproximadamente 90% de la energía consumida proviene de
fuentes no renovables, por lo que estos recursos fósiles se están agotando
aceleradamente y su tasa de disminución es cada vez mayor. Por lo anterior,
desde hace algunos años, distintas naciones han incursionado en la búsqueda de
fuentes alternas de energía. Aproximadamente, la mitad de los ingenios del país
cuentan con destilerías, unas más, otras menos modernas, pero pueden producir
etanol (96° GL).
A pesar de que el etanol se ha utilizado mayoritariamente como base en la
producción de bebidas alcohólicas, tales como cervezas, vinos, licores, etc. tiene
además una serie de aplicaciones en la industria química, farmacéutica, y más
recientemente como combustible para automóviles. El etanol es producido por la
fermentación de granos tales como: trigo, cebada, maíz, madera y caña de azúcar,
o por residuos forestales y DSM (papel, alimento y basura de patio, plásticos,

maderas, llantas). El etanol es un alcohol combustible con potencial de llegar a ser
ampliamente usado como combustible de automóvil.
El uso del etanol en la gasolina tiene varios beneficios ambientales; entre los que
destacan:
 Reducción de CO: el uso de etanol causa un 25 a 30% de reducción en las
emisiones de monóxido de carbono (CO) con el 10% de etanol en la
mezcla.
 Reducción de CO2: aunque el dióxido de carbono es liberado cuando se
quema el etanol, éste es reciclado dentro de tejido orgánico durante el
desarrollo de la planta; de hecho, el uso del etanol en la gasolina puede
resultar en una reducción neta de los niveles de dióxido de carbono
atmosférico.
 Fuente renovable: el etanol es un derivado de una fuente biológica
renovable.
 Reducción de emisiones de ozono: el uso de 10% de etanol en la mezcla
gasolina puede resultar en una reducción neta del ozono - que forma
emisiones como monóxido de carbono e hidrocarburos.
El uso intensivo del etanol puede ser motivado por su habilidad para sustituir a la
gasolina o utilizarlo como componente oxigenante de la gasolina y antidetonante.
 En vehículos de gasolina (90% gasolina y 10% etanol en volumen) gasoil,
esto se practica sin ninguna modificación al motor.
 Etanol como sustituto de la gasolina. Una mezcla de 85 % etanol y 15%
gasolina (E85) es un combustible viable para vehículos ligeros, éstos
pueden operar con cualquier proporción de etanol mezclado con gasolina,
teniendo como límite 85%. Algunos autobuses y camiones con la adecuada
modificación a sus motores diesel, pueden operar con etanol casi puro.
 Como un componente de la gasolina. El etanol puede ser usado para
manufacturar ETBE; (etil terciario butil éter) elemento para la gasolina
reformulada. Al ser mezclado con la gasolina aumenta el octanaje de la
gasolina y por lo tanto previene el golpeteo.
Existe también la opción de utilizar vehículos de combustible flexible, los cuales
están diseñados para usar una gran variedad de combustibles, siempre y cuando
estén en el mismo estado físico (es decir líquido).
El uso de un combustible en el autotransporte, requiere que sus características
físicas y químicas sean las adecuadas para poder lograr una buena autonomía,
buen desempeño y confiabilidad.

Etanol
El etanol es un alcohol líquido, en condiciones ambientales, que al igual que la
gasolina o diésel puede ser utilizado como combustible en los vehículos.
Los alcoholes son aquellos compuestos cuyas moléculas se componen de
carbono, hidrógeno y uno o más hidroxilos (OH); los alcoholes ligeros son líquidos
miscibles con el agua; otros más espesos son aceites y los más densos son ceras.
El etanol o alcohol etílico (CH3-CH2-OH) es el más común de los alcoholes y se
caracteriza por ser un compuesto líquido, incoloro volátil, inflamable y soluble en
agua.
El etanol se utiliza industrialmente para la obtención de acetaldehido, vinagre,
butadieno, cloruro de etilo y nitrocelulosa, entre otros. Es muy utilizado como
disolvente en síntesis de fármacos, plásticos, lacas, perfumes, cosméticos, etc.
También se utiliza en mezclas anticongelantes, como combustible, como
antiséptico en cirugía, como materia prima en síntesis y en la preservación de
especímenes fisiológicos y patológicos.
El llamado alcohol desnaturalizado consiste en etanol al que se le agregan
sustancias como metanol, isopropanol o, incluso, piridinas y benceno. Estos
compuestos desnaturalizantes son altamente tóxicos por lo que, este tipo de
etanol, no debe de ingerirse.
Sustratos utilizados en la producción de etanol
Los sustratos más comúnmente usados para la fermentación son los azúcares, en
especial la D-glucosa. Una clase de fermentación importante de la glucosa es la
fermentación alcohólica. Para muchas levaduras en un medio adecuado, la
fermentación significa la conversión de hexosas, principalmente glucosa, fructosa,
manosa y galactosa, en ausencia de aire, en los siguientes productos finales:
Glucosa + 2 Pi + 2 ADP → 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O - 24 kcal
Alrededor del 70 % de la energía es liberada como calor; el resto es preservado en
dos enlaces fosfatos terminales de ATP (trifosfato de Adenosina), para usarlo en
las reacciones de transferencia, tales como la activación de la glucosa
(fosforilación) y de aminoácidos antes de las polimerización
Para la producción de etanol han sido utilizadas diferentes fuentes de carbono
como materia prima; estas deben ser transformadas con facilidad en azúcar
fermentable. Su uso práctico estará determinado por el rendimiento en etanol, por
su costo y el tipo de microorganismo que se utilice.

Varios autores, coinciden en definir 3 tipos de materias primas para la producción
de etanol:
a) Materiales portadores de azúcares simples que contienen carbohidratos como
fuente de azucares. (tales como jugo de caña de azúcar, melazas, sorgo dulce,
etc.)
b) Materiales amiláceos los cuales contienen almidón como fuente de azúcares.
(tales como la yuca, maíz, papa, etc)
c) Materiales celulósicos, que contienen celulosa, hemicelulosa,. tales como el
bagazo, la madera, residuos agrícolas, etc.
El etanol se produce por fermentación de estas materias primas con levaduras u
otros microorganismos. Las de la primera clase fermentan directamente.
El segundo tipo consta de hidratos de carbono complejos, como el almidón, que
primero se deben convertir en azúcares fermentables mediante la acción de
enzimas.
Las sustancias celulósicas de la tercera clase se convierten en azúcares
fermentables por hidrólisis con ácidos inorgánicos, principalmente.
Materias primas azucaras
Como lo son azúcar de caña, remolacha, melazas y jugos de fruta. Son materias
primas que poseen un alto contenido de azúcares simples y fermentables, como la
glucosa, la fructosa, la galactosa y la sacarosa, entre otros. La ventaja de utilizar
este tipo de fuentes consiste en que no es necesario realizar tratamientos previos
para obtener los azúcares fermentables, puesto que estos ya se encuentran
presentes
Materias primas ricas en almidón
Como por ejemplo el maíz, malta, cebada, avena trigo, arroz, sorgo y otros. Estas
fuentes deben ser tratadas previamente para obtener los azúcares fermentables.
En el caso de los cereales, estos deben someterse previamente a un proceso de
hidrólisis del almidón, con el fin de romper este biopolímero en azúcares
fermentables que estén disponibles para los microorganismos encargados de la
fermentación alcohólica.
Materias primas celulósica
Como la madera, residuos de pasta y el papel. Las materias primas con alto
contenido de celulosa son las fuentes más abundantes de biomasa a nivel global,

y su uso ha tenido un creciente interés global; sin embargo, la compleja
composición química de estas fuentes ha planteado retos tecnológicos que aún no
han podido ser satisfactoriamente superados.
Levaduras
Las levaduras son hongos unicelulares. Normalmente son ovales, esféricas o casi
cilíndricas y la división es, casi siempre, asimétrica o por gemación. Las células de
levadura son mucho más grandes que las bacterias y pueden distinguirse de ellas
no solo por su tamaño sino también por poseer sistemas membranosos
intracitoplasmáticos así como núcleo.
Las levaduras prosperan típicamente en hábitat con azucares, tales como frutos,
flores y cortezas de árboles. Un buen numero vive simbionte con animales,
especialmente insectos y algunas son patógenas para animales especialmente el
hombre.
Las levaduras son los microorganismos más utilizados para la producción de
etanol por la vía fermentativa, debido a su alta productividad en la conversión de
azúcares a bioetanol y a que se separan mejor después de la fermentación.
Además, la producción de toxinas es muy inferior a la de otros microorganismos.
Entre las especies más utilizadas están: Saccharomyces cerevisiae, S.
ellipsoideus, S. anamensisi, Candida seudotropicalis, S. carlsbergensis,
Kluyveromyces marxianus, Candida bytyrii, Pichia stipatis, Schizosaccharomyces
pombe y Pichia membranaefaciens.
Diferentes investigadores han realizado evaluaciones de cepas alcoholeras de
levadura atendiendo a varios aspectos tales como:
 tolerancia al etanol,
 tolerancia a las altas temperaturas

 tolerancia a altas concentraciones de azúcar,
 rendimiento alcohólico,
 eficiencia en la fermentación y productividad
Fermentación
Un proceso de fermentación típico es esencialmente un proceso que se lleva a
cabo en un recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante el
cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo son transforma dos
por acción microbiana en metabolitos y biomasa. El microorganismo va
aumentando en su concentración en el transcurso del proceso al mismo tiempo
que el medio se va modificando y se forman productos nuevos como
consecuencia de las actividades catabólicas y anabólicas. Los dos fenómenos
crecimiento y formación de producto, tienen lugar durante el desarrollo del proceso
simultáneamente o no según los casos.
En la figura se presenta un esquema general de un proceso de fermentación.
Como puede verse existen 4 etapas bien diferenciadas, a saber: 1) Propagación
de cultivos, lo que se realiza en el laboratorio y que comienza generalmente en un
tubo de ensayo que contiene un repique reciente del microorganismo o un tubo
liofilizado o congelado donde se conserva la cepa de interés o de una colonia del
microorganismo previamente seleccionada. Este material microbiológico
seleccionado constituye el punto de partida con el cual se debe aumentar la
cantidad del mismo mediante sucesivos pasajes en frascos de volúmenes
crecientes que son generalmente operados en agitadores de vaivén o rotatorios en
cámaras de cultivo. 2) Fermentación: con el material obtenido anteriormente, se
siembra el tanque de inoculo que puede tener un volumen de 50, 500 ó 1000 1
según la escala industrial posterior. Del tanque de inoculo se pasa posteriormente
al fermentador industrial cuyo volumen, que varía de acuerdo al producto a
obtener y a su concentración, está comprendido comúnmente entre 10,000 y
100,000 L. En algunos casos especiales, como en la producción de proteína
unicelular, los tanques de fermentación pueden llegar hasta 1,000,000 L. Un
proceso esencial ligado a la producción es la preparación y esterilización de los
medios que se lleva a cabo también en esta etapa (previamente a la inoculación)
ya sea en el tanque de inóculo o en el reactor industrial. 3) Operaciones y proceso
de separación y purifición de los productos; estas etapas comprenden en forma
general y sucesivamente: a) separación de insolubles por filtración, centrifugación,
o decantación; b) separaciones primarias por extracción, absorción, adsorción,
ultrafiltración; c) purificación por extracción líquido-líquido, o extracción a dos fases
acuosas, o cromatografía de afinidad, y finalmente d) aislamiento del producto. 4)
Tratamiento de efluentes: si bien no tiene una relación directa con el producto, que
es la razón de ser de la industria de fermentación, representa una etapa

imprescindible porque es fundamental controlar la calidad del efluente que sale de
la fábrica y que es enviado generalmente a un curso de agua, sea un canal,
arroyo, un río o al mar.
Pretratamientos de la biomasa
Hidrolisis ácida
La hidrólisis ácida ha sido el pretratamiento tradicional para la fermentación
lignocelulósica. Bracconet descubrió por primera vez en 1819 que el tratamiento
de la madera con ácido sulfúrico concentrado se obtenía rendimientos glucosa
altos.
Franzidis y Porteous (1981) revisaron los procesos de hidrólisis ácida comerciales
tempranas. Se utilizó el proceso de "americano", también conocido como el
método de Simonsen, entre 1910 y 1922. Los residuos amarillos de los
aserraderos de pino del sur se hidrolizaron mediante un proceso por lotes
utilizando ácido sulfúrico al 0,5% y al vapor a 912 kPa. El rendimiento de etanol
desde el proceso general, fue de 22 gal/tonelada, demostró ser poco económico.
Un proceso alemán, desarrollado algunos años más tarde por Heinrich Scholler
produjo mejores rendimientos en 52-58 gal/tonelada de etanol en un tiempo de
hidrólisis de 13-20 horas. El proceso de Scholler utilizó un método de "pulso
percolación" donde los lotes de ácido sulfúrico 0,8 % se percola a través de una
columna de residuos de madera comprimido a temperaturas de 120°C a 180°C. La
operación pico del proceso Scholler fue durante la Segunda Guerra Mundial en
Alemania. En los EE.UU. el Laboratorio de Productos Forestales mejoraron el
proceso Scholler, al aumento los rendimientos de etanol al 64,5 gal/tonelada en un
menor tiempo de hidrólisis, 3 horas.

Efecto de la hidrolisis ácida en los compuestos lignocelulosicos
Inicialmente, la hidrólisis ácida parece ser un medio relativamente eficiente de
acceso y rompimiento de la celulosa. El principal catalizador es un ion hidrógeno
hidratado 4 Å. Los poros en las microfibrillas permitir la entrada de partículas de
hasta 51 Å. El ion hidrógeno, por lo tanto, no enfrenta el problema de la
accesibilidad en comparación con las enzimas de celulasa. Además, el
mecanismo básico de la hidrólisis de enlaces glicosídicos es relativamente simple
(figura). El mecanismo es similar a la hidrólisis de otros glucósidos tales como
almidón (α1 → 4 cadenas de glucosa con enlaces, con α1 → 6 ramas). El paso
limitante de la velocidad del proceso es debido a causa de la formación de la
configuración de un medio-silla de alta energía por el ion carbonio cíclico (Fengel y
Wegener 1984, Goldstein 1983).
Explosión por vapor
Chornet y Overend (1988) describen la explosión de vapor como un proceso
thermomechanochemical. El desglose de los componentes estructurales es
ayudada por el calor en forma de vapor de agua (termo) , fuerzas de cizallamiento
debido a la expansión de la humedad (mecano), y la hidrólisis de enlaces
glicosídicos (químicos).
En el reactor, el vapor a alta presión penetra en las estructuras lignocelulósicos
por difusión. El vapor se condensa bajo la alta presión de ese modo " mojar " el
material. La humedad en la biomasa hidroliza los grupos acetilo de las fracciones
de hemicelulosa, la formación de ácidos orgánicos tales como ácidos acético y
urónicos. Los ácidos, a su vez catalizan la despolimerización de la hemicelulosa,
la liberación de xilano y cantidades limitadas de glucano. Bajo condiciones
extremas, las regiones amorfas de la celulosa se pueden hidrolizar a un cierto
grado. Condiciones excesivas, es decir, altas temperaturas y presiones, sin
embargo , pueden también promover la degradación de la xilosa a furfural y
glucosa al 5 - hidroximetil furfural. El furfural inhibe el crecimiento microbiano, por
lo tanto, no es deseable en un material de alimentación de la fermentación.
La biomasa "húmedo " se " explotó " cuando se libera la presión dentro del reactor.
Típicamente, el material es impulsado fuera del reactor a través de una pequeña
boquilla por la fuerza inducida . Varios fenómenos se producen en este punto. En
primer lugar, la humedad condensada dentro de la estructura se evapora
instantáneamente debido a la disminución repentina de la presión. La expansión
del vapor de agua ejerce una fuerza de cizallamiento sobre la estructura
circundante. Si esta fuerza de corte es lo suficientemente alta, el vapor hará que la
ruptura mecánica de las estructuras lignocelulósicos .

La descripción del proceso pone de relieve la importancia de la optimización de los
dos factores que gobiernan: tiempo de retención y la temperatura. La cantidad de
tiempo que la biomasa pasa en el reactor ayuda a determinar el grado de hidrólisis
de hemicelulosa por los ácidos orgánicos. La hidrólisis de la hemicelulosa ayuda
en gran medida el proceso de fermentación aguas abajo. Sin embargo, los
tiempos de retención largos también aumentará la producción de productos de
degradación . Como se ha mencionado antes, especialmente en la preparación de
una materia prima de fermentación , productos de degradación deben ser
minimizados .
Temperatura regula la presión del vapor dentro del reactor. Las temperaturas más
altas se traducen en presiones más altas, por lo tanto, el aumento de la diferencia
entre la presión del reactor y la presión atmosférica . La diferencia de presión es a
su vez proporcional a la fuerza de cizallamiento de la humedad que se evapora.
Factor de severidad
Con los numerosos estudios que utilizan la distinta biomasa fue necesario la
normalizar de los parámetros del proceso para facilitar las comparaciones. Por
ejemplo, una de las cuestiones clave común a la matriz de los estudios es la
minimización de la degradación del producto debido a las condiciones de
pretratamiento. Es importante ser capaz de relacionar los rendimientos netos de
productos a la severidad de tratamiento previo (Chornet y Overend 1988).
Overend y Chornet (1987) adaptado un modelo para definir la gravedad de un
pretratamiento de explosión de vapor en términos del efecto combinado de la
temperatura y tiempo de residencia. El factor de gravedad a continuación, se
convierte en una constante para cualquier conjunto dado de temperatura y tiempo
de residencia. El modelo se basa en los supuestos de que la cinética del proceso
es de primer orden, y obedece a la ley de Arrhenius:
k = A e -Ea/RT
Donde,
k = constante de velocidad
A = factor de frecuencia de Arrhenius
Ea = energía de activación (kJ/kg mol)
R = constante universal de los gases (8.314 kJ/kg mol K)
T = temperatura absoluta (K)
Al hacer esto, ellos fueron capaces de desarrollar la ordenada reacción:

푅표 = ∫ exp⁡[
푇푟 − 푇푏
14.75
]푑푡
푡
0
Cuando,
Ro = Reacción Ordinate
t = tiempo de residencia (min)
Tr = temperatura de reacción (°C)
Tb = Temperatura Base a 100 ° C
El valor de registro de la ordenada de reacción da el factor de gravedad que se
utiliza para asignar los efectos de la explosión de vapor en el pretratamiento de la
biomasa.
Gravedad = log10 (Ro)
Donde,
Gravedad = factor de gravedad
Ro = Reacción Ordinate.
El valor de registro de la ordenada de reacción da el factor de gravedad que se
utiliza para asignar los efectos de la explosión de vapor en el pretratamiento de la
biomasa .
Efectos físico-químicos de la explosión de vapor como pretratamiento de
lignocelulosa
Tanahashi et. al. (1983) estudiaron los efectos de la explosión de vapor en la
morfología y las propiedades físicas de la madera. Shirakaba ( Betula platiphilla
var skatchev. Japonica Hara) fue el representante de la madera dura en el estudio.
Tanahashi et. al. Encontraron que a presiones mayores de 28 kg/cm2 (230°C) y 16
min de tiempo de residencia, las microfibrillas de Shirakaba convertido
completamente separados unos de otros. Se encontró que las microfibrillas a ser
más grueso y más corto con un aumento de tiempo de vapor. La cristalinidad
aumentó 1,5 veces, y el ancho de micelas aumentó 2 veces. Esto llevó Tanahashi
et. al. para concluir que la celulosa amorfa vuelve cristalina durante el proceso de
vaporización. Por lo tanto, el índice de cristalinidad y la anchura de micelas de
madera en despiece ordenado aumentan con vapor. Un análisis térmico se realizó
también en la madera explotado, lo que demostró que la explosión de vapor en
severidades moderadas promueve deslignificación. Los autores observaron
deslignificación basado en la temperatura de transición vítrea (Tg) de la lignina .Un

pico correspondiente a la Tg de la lignina , originalmente ausente del análisis de la
madera no tratada aparece para aquellos de vapor en despiece ordenado de
madera. Bajo la misma temperatura/presión, la intensidad del pico de Tg lignina
aumentó con vapor tiempo de hasta 2 minutos. Sin embargo, la consiguiente
disminución de la intensidad del pico de lignina fue visto por temperaturas más allá
de 2 minutos. Por tiempo de vapor constante (de 2 minutos en este estudio) la
intensidad de la lignina Tg pico aumenta con el aumento de temperatura de
reacción/presión. Los autores interpretan este fenómeno como el repolimerización
de la lignina, lo que llevó a la recomendación de 28 kg/cm2, 2 min para la
deslignificación óptimo de Shirakaba.
Un estudio de seguimiento hecho por Tanahashi et . al. (1988) para observar los
efectos químicos de la explosión de vapor en la madera. Se encontró que las
fracciones de hemicelulosa que se hidroliza fácilmente a oligosacáridos al vapor, a
severidades inferiores (20 kg/cm2, 1 min). Gravedades más altas hidrolizan
adicionalmente las hemicelulosas a monosacáridos, sino que también aumentaron
la concentración del furfural y 5 - hidroximetil.
Del mismo modo, Excoffier et. al. (1988) encontraron que el grado de cristalinidad
de los aumentos de celulosa debido al tratamiento de vapor. Esta observación es
atribuida a la cristalización de las regiones amorfas de la celulosa durante el
tratamiento térmico. Excoffier et. al. también encontró que mientras que la
hemicelulosa se elimina por hidrólisis, la lignina se ablanda bajo el calor y
despolimeriza.
Atalla (1988) estudiaron los efectos de la explosión de vapor en la propia celulosa.
Difractogramas de rayos X de vapor explotaron muestras de álamo revelaron que
los tratamientos de temperatura más altos resultaron en orden creciente de la
estructura reticular de celulosa, aumentando así la cristalinidad. El efecto de las
temperaturas más altas en tiempos de retención más bajos era más pronunciada
que temperaturas más bajas en tiempos de retención más largos. Las
observaciones fueron confirmadas por análisis adicionales utilizando mediciones
espectrales Raman y RMN de estado sólido (CP/ MAS) espectros. Atalla también
afirmó que la acción mecánica durante la despresurización explosiva aumentó de
manera similar orden estructural en la celulosa. Este efecto se deduce de los
resultados de experimentos previos que involucraron tratamiento mecánico de
celulosa mediante molienda con bolas y presionando con pantallas de malla fina.
Un hallazgo secundario de los espectros Raman fue que el tratamiento a
temperaturas más altas se tradujo en una mayor deslignificación.
Para resumir los efectos de la explosión de vapor en la lignocelulosa reportados
en la literatura:

1. Explosión de vapor aumenta la cristalinidad de la celulosa mediante la
promoción de la cristalización de las porciones amorfas.
2. La hemicelulosa se hidroliza fácilmente por tratamiento de explosión de
vapor.
3. Hay pruebas de que la explosión de vapor promueve la deslignificación.
Tanto deslignificación y hemicelulosa de hidrólisis aumenta el volumen de poros
en las células vegetales, y son por lo tanto beneficioso para la hidrólisis de
celulosa posterior. El aumento de la cristalinidad de la celulosa, sin embargo, es
una desventaja de la explosión por vapor. La hidrólisis ácida de la celulosa es
inhibida por alta cristalinidad.
Compuestos inhibidores formados a altas temperaturas derivados de compuestos
lignocelulosicos.
Durante el pretratamiento del material lignocelulósico no sólo se obtienen los
azúcares provenientes de la hidrólisis y solubilización de la celulosa y
hemicelulosa sino que, debido a las altas temperaturas y condiciones ácidas en
las que se desarrollan estos pretratamientos, se originan una serie de compuestos
que pueden actuar como inhibidores potenciales de la fermentación. La naturaleza
y concentración de estos compuestos depende del tipo de materia prima (maderas
duras, blandas o herbáceas), del pretratamiento utilizado, de las condiciones del
proceso (temperatura y tiempo y de la utilización o no de catalizadores ácidos.
Los productos de degradación, que son potenciales inhibidores de la fermentación,
pueden dividirse en tres grupos: derivados del furano, ácidos alifáticos de bajo
peso molecular y derivados fenólicos.
Como consecuencia de las altas temperaturas empleadas en los pretratamientos,
los azúcares originados en la hidrólisis, principalmente de la hemicelulosa, se
degradan originando dos compuestos derivados del furano: el furfural, formado a
partir de la degradación de las pentosas (xilosa y arabinosa) y el 5-
hidroximetilfurfural (HMF), formado como consecuencia de la degradación de las
hexosas (glucosa, manosa y galactosa). A su vez, estos dos compuestos se
pueden degradar a otros productos. El furfural puede degradarse a ácido fórmico o
bien polimerizarse (Dunlop, 1948). El HMF origina cantidades equimoleculares de
ácidos fórmico y levulínico. Además de estos dos ácidos alifáticos (fórmico y
levulínico), se origina ácido acético procedente de la hidrólisis de los restos
acetilos de la hemicelulosa. La composición de la fracción líquida obtenida tras el
pretratamiento depende del tipo de madera del que provenga. Los hidrolizados
procedentes del pretratamiento de maderas duras tienen una mayor concentración
de furfural y ácido acético que el hidrolizado obtenidos en el pretratamiento de

maderas blandas, debido al mayor contenido en pentosas y restos acetilados de
las hemicelulosas de las maderas duras.
Durante el pretratamiento, una parte de la lignina también se degrada originado
una gran variedad de compuestos fenólicos. Se trata de un grupo de compuestos
muy heterogéneo que se pueden encontrar en forma de monómeros, dímeros y
polímeros con una gran variedad de sustituyentes. Entre ellos, se encuentran
ácidos, aldehídos y alcoholes aromáticos. Los fenoles originados en el
pretratamiento varían según el tipo de biomasa, ya que existe una gran
diferenciación de la lignina atendiendo al grupo taxonómico al que pertenezca la
especie vegetal. Un derivado fenólico muy abundante en los hidrolizados de
maderas duras es el ácido 4-hidroxibenzoico. Se origina por la rotura de los
enlaces ester que lo unen a los grupos hidroxilos de los alcoholes cinámicos que
forman la lignina. Otros derivados fenólicos abundantes en los hidrolizados de
maderas duras son el siringaldehído y el ácido siríngico, procedentes de la
degradación de las unidades siringilpropano de la lignina. El 4-hidroxibenzaldehído
y los ácidos gentísico, salicílico y protocatéquico han sido identificados también en
hidrolizados procedentes de maderas duras.
Otros derivados fenólicos identificados tanto en maderas blandas como el pino y
abeto, como en maderas duras como el chopo roble y sauce, han sido la vainillina
y el ácido vainíllico originados como consecuencia de la degradación de las
unidades guayacilpropano de la lignina.. Además de los compuestos
anteriormente citados, otros derivados fenólicos detectados en el hidrolizado de
diferentes tipos de maderas han sido el catecol, guayacol, hidroquinona, aldehído
coniferílico y ácido homovainíllico. Un tipo de compuestos (no incluidos en los tres
grupos citados anteriormente) que se liberaran durante el pretratamiento son los
extractivos. Entre ellos se encuentran diferentes tipos de resinas (ácidos grasos,
terpenoides, esteroles y ceras) y compuestos fenólicos (flavonoides, taninos, etc.).
Estos compuestos, a pesar de su baja concentración, también pueden actuar
como inhibidores de los microorganismos empleados en la fermentación de los
hidrolizados procedentes de materiales lignocelulósicos.
Furfural e hidroximetilfurfural
Entre los efectos producidos por el furfural sobre los microorganismos citados en
la bibliografía se encuentran: reducción de la tasa específica de crecimiento
(Azhar y col., 1981; Navarro, 1994); disminución de la productividad volumétrica
de etanol (Navarro, 1994; Larsson y col., 1999b); descenso de la productividad
específica de etanol (Palmqvist y col., 1999b; Taherzadeh y col., 2000b) y
disminución de la producción de biomasa (Palmqvist y col., 1999b). Los efectos
producidos por el HMF aunque menores ya que la toxicidad mostrada por este

compuesto sobre los microorganismos es menor que la del furfural son los mismos
(Taherzadeh y col., 2000 a; Larsson, 2000).
El efecto tóxico ocasionados por los furanos parece deberse a que, al ser
aldehídos, son compuestos químicamente reactivos que pueden formar
compuestos con determinadas moléculas biológicas como lípidos, proteinas y
ácidos nucleicos (Singh y Khan, 1995), o bien producir daños sobre la membrana
plasmática (Zaldivar y col., 1999). Además, el furfural produce la inhibición de
enzimas glicolíticos y fermentativos (Banerjee y col., 1981; Zaldivar y col., 1999;
Modig y col., 2002). La inhibición que el furfural ejerce sobre la alcohol
deshidrogenasa podría explicar la excreción de acetaldehído observada durante
las primeras horas de la fermentación en presencia de este derivado del furano
(Palmqvist y col., 1998).
El furfural y el HMF son metabolizados tanto por bacterias como levaduras (Villa,
1992; Delgenes y col., 1996; Palmqvist y col., 1999b; Taherzadeh y col., 2000 a,b;
Larsson y col., 2000; Gutiérrez y col., 2002). En condiciones de anaerobiosis,
como consecuencia del metabolismo del furfural, se produce principalmente
alcohol fufurílico y, en menor concentracion, ácido furoico. La hipótesis de que la
reducción de furfural a alcohol furfurílico está catalizada por una alcohol
deshidrogenasa dependiente de NADH está prácticamente aceptada (Diaz de
Villegas y col., 1992; Taherzadeh y col., 2000b). En condiciones de anaerobiosis,
durante la fermentación se produce glicerol para regenerar el exceso de NADH
producido en la biosíntesis y mantener el balance redox intracelular (Albers y col.,
1996). En fermentaciones en presencia de furfural no se observa producción de
glicerol, lo que sugiere que la reducción del furfural a alcohol furfurílico oxida el
NADH en condiciones de anaerobiosis (Palmqvist y col., 1998). Sin embargo, esta
hipótesis puede ser refutada por algunos argumentos. La especificidad de una
enzima por un sustrato viene dada por la forma y tamaño del centro activo. El
centro activo de la alcohol deshidrogenasa de S. cerevisiae es demasiado
pequeño para aceptar moléculas mayores que el acetaldehído. Además, la
mayoría de experimentos en relación con la especificidad de este enzima se han
realizado con preparaciones comerciales, que por un lado son una mezcla de
isoenzimas y por otro lado difieren en algunos aminoácidos con la alcohol
deshidrogenasa clonada de S. cerevisiae, lo cual puede influir en la especificidad
del enzima por el sustrato (Reid y Fewson, 1994).
Ácidos alifáticos.
Aunque está bien documentado en la bibliografía que los ácidos alifáticos débiles
producen descenso del rendimiento en etanol (Pampulha y Loureiro-Dias, 1989) y

disminución de la producción de biomasa (Taherzadeh y col., 1997a), el
mecanismo por el que se produce la inhibición no está completamente aclarado.
Uno de los mecanismos propuesto para explicar el efecto inhibitorio de los ácidos
alifáticos es la teoría del desacoplamiento. Según esta, el efecto tóxico depende
del pKa de los ácidos y del pH del medio. Únicamente la forma no disociada de los
ácidos penetra en la célula por difusión (Verduyn y col., 1992), donde, debido al
mayor pH intracelular se disocia, provocando un descenso del pH (Pampulha y
Loureiro-Dias, 1989) que debe ser compensado por una ATPasa de membrana
que bombea protones al exterior a costa de la hidrólisis de ATP. La menor
cantidad de ATP disponible para la formación de biomasa celular, explicaría la
disminución del crecimiento observada cuando hay en el medio ácidos alifáticos.
Cuando la concentración de ácido es suficientemente alta, se supera la capacidad
de bombeo de protones, lo que origina la acidificación del citoplasma y la posterior
muerte celular (Imai y Ohono, 1995).
Otro mecanismo propuesto, para explicar este efecto inhibitorio de los ácidos es la
acumulación intracelular de aniones (Russel, 1992). Según esta teoría, mientras
que los protones son excretados al exterior los aniones son capturados en la
célula produciéndose una acumulación de los mismos en el interior de esta. La
inhibición podría estar relacionada con la toxicidad del anión.
Aunque no se conoce con certeza el mecanismo de inhibición de los ácidos
alifáticos, el efecto tóxico mostrado por estos compuestos puede deberse tanto al
desacoplamiento como al efecto inhibitorio de la acumulación de aniones.
(Palmqvist y col., 1998).Probablemente, el efecto de los ácidos alifáticos de
cadena corta también se deba a un efecto directo de estos compuestos sobre la
integridad de la membrana (Heipieper y col., 1994). La inserción de las cadenas
alifáticas en la membrana puede alterar su estructura e hidrofobicidad,
produciendo un aumento de la permeabilidad de la misma y afectar a su función
de barrera selectiva
Fenoles
De los inhibidores identificados en los hidrolizados de los materiales
lignocelulósicos, los compuestos aromáticos de bajo peso molecular son los que
se han mostrado como los más tóxicos para los microorganismos (Tran y
Chambers 1986; Buchert y col., 1989; Palmqvist, 1998; Zaldivar y col., 2001).
Aunque, el mecanismo de inhibición no se conoce completamente, se ha
estudiado el efecto de los derivados fenólicos sobre procariotas como Klebsiella
pneumoniae (Tran y Chambers, 1986; Nishikawa y col., 1988) y Escherichia coli
(Zaldivar y col., 1999, Zaldivar y Ingram, 1999). El efecto tóxico de los aldehídos

aromáticos puede deberse a una interacción con determinadas zonas hidrofóbicas
de las células y causar perdida de la integridad de la membrana afectando a su
capacidad de actuar como una barrera selectiva (Heipieper y col. 1994). Zaldivar y
col. (2000) demostraron que el efecto tóxico de los alcoholes aromáticos se debía
al daño ocasionado por estos alcoholes sobre la membrana plamática. El efecto
inhibitorio mostrado por los ácidos aromáticos puede basarse en mecanismos
semejantes al de los ácidos alifáticos descritos anteriormente (Larsson, 2000).
Aunque se han realizados diversos estudios sobre el efecto de los derivados
fenólicos sobre levaduras (Mikulásová y col., 1990; Delgenes y col., 1996) y
especialmente sobre Saccharomyces cerevisiae (Jönsson y col., 1998; Palmqvist y
col., 1996a, 1998; Larsson y col., 1999b, 2000). El mecanismo de inhibición sobre
los eucariotas no está completamente aclarado. Sin embargo, debido a que la
estructura de la membrana plasmática es similar a la de procariotas, se postula
que los mecanismos de inhibición pueden ser similares (Larsson, 2000).
Al igual que con el furfural e HMF, existen datos en la bibliografía que demuestran
la capacidad de determinados microorganismos, tanto bacterias como K.
pneumoniae (Nishikawa y col., 1988) o Z. mobilis (Delgenes y col., 1996), como
levaduras pertenecientes a los géneros Saccharomyces, Pichia, Pachysolen y
Candida (De Wulf y col., 1986; Delgenes y col., 1996; Larsson y col., 2000) de
metabolizar los aldehídos aromáticos. Sin embargo, los datos ofrecidos por la
bibliografía sobre el papel de la alcohol deshidrogenasa de S. cerevisiae en la
conversión de estos compuestos resultan contradictorios (Bowen y col., 1986;
Long y col., 1989). Otros enzimas, que pueden estar implicadas en el metabolismo
de los aldehídos aromáticos son la vainillina oxidoreductasa (De Wulf y col., 1986),
aldosa reductasa (Khun y col., 1995) o la arilalcohol deshidrogenasa (Delnieri y
col., 1999).

3. Antecedentes
 Martin et. al. (2008), compararon pretratamientos, entre la oxidación
húmeda alcalina y la explosión de vapor aplicada al bagazo de caña.
Se compararon con respecto al fraccionamiento de la biomasa, la
formación de subproductos y la convertibilidad enzimática del material
pretratado. La oxidación en húmedo condujo a la solubilización del
82% de xilano y 50 % de lignina, y a un aumento de dos veces de
contenido de celulosa en los sólidos pretratados. Mientras las
explosiones de vapor solubilizaron sólo el 60 % de xilano y 35 % de
lignina y el aumento de contenido de celulosa en el material sólido en
un tercio donde las condiciones de operación fueron 205 °C durante
10 min. La oxidación húmeda formo más ácidos alifáticos y
compuestos fenólicos, y menos aldehídos de furanos en la fracción de
los líquidos. La mejor convertibilidad enzimática de la celulosa se
logró con el material de la oxidación húmeda (57.4 %) comparado con
el material de la explosión por vapor(48,9 %).
 W.-H. Chen et. al. (2011) realizaron una comparación de pretratamiento
combinados para la obtencion de bioetanol a partir de la paja de arroz.
En la primera combinación se utilizó ácido diluido y explosión de
vapor seguido de la hidrólisis enzimática que se investigó y se
comparó con la catalizada por ácido como tratamiento previo a la
explosión por vapor. Las condiciones de funcionamiento óptimas para
la primera etapa de hidrólisis - ácido diluido se determinó que eran 165
°C durante 2 min con 2 % de H2SO4 y para la segunda etapa de
explosión de vapor iba a ser llevado a cabo a 180 C durante 20 min, lo
que dio la combinación más favorable en términos de un proceso
integrado. Encontraron que la paja de arroz pretratada por las
explosiones ácido-diluido/vapor tenía un rendimiento de xilosa
superior, un menor nivel de inhibidor en el hidrolizado y un mayor
grado de hidrólisis enzimática, lo que resultó en un aumento de 1,5
veces en el rendimiento global de azúcar comparada con la explosión
de vapor catalizada por ácido.
 Kim et. al. (2013) realizaron un tratamiento previo en dos etapas con
ácido sulfúrico diluido y amoniaco acuoso en la paja de arroz para
obtener azúcares fermentables. En la primera etapa la paja de arroz se
trato con ácido sulfúrico diluido, se realizó en un baño de aceite
usando un reactor de tubo cerrado herméticamente que era 1,2 cm de
diámetro y 18 cm de longitud. El precalentamiento, la reacción, y el
enfriamiento se realizaron en el baño de aceite. La temperatura del
baño de precalentamiento se mantuvo a 210 ° C para la transferencia

de calor más rápido mientras que el baño de refrigeración se mantiene
a temperatura ambiente. La temperatura, la concentración de ácido
sulfúrico, y el tiempo 142 º C, 1,21% y 11,6 minutos, respectivamente.
Después de que el tratamiento previo, se llevó a cabo la separación
sólido-líquido, y el sólido (paja de arroz) se extrajo, se lavó, y se secó.
Más tarde, el tratamiento previo con amoníaco acuoso donde las
condiciones óptimas fueron una temperatura de 42,75 º C, una
concentración de amoniaco acuoso de 20,93 %, y un tiempo de
reacción de 48 h . La concentración de enzima óptima para la
sacarificación fue 30 unidades de papel de filtro . El índice de
cristalinidad fue de aproximadamente 60,23 %. Cuando se realizó el
pretratamiento usando las condiciones óptimas, se recuperó
aproximadamente 13,91 g / L (aproximadamente el 87,24% de la
máxima teórica) de glucosa fermentable. Proceso de fermentación por
la glucosa recuperado produjo etanol a aproximadamente 83% de la
máxima teórica.
 Tucker et. al. (2003) realizaron estudios, donde ocuparon ácido
sulfúrico diluido como pretratamiento del rastrojo de maíz antes de
introducirlo a un reactor de explosión de vapor de agua. El
rendimiento de xilosa soluble variaron desde 63 hasta 77 % del valor
teórico de pretratamientos de rastrojo de maíz a 160 y 180 ° C. Sin
embargo, los rendimientos > 90 % del valor teórico se encontraron con
pretratamientos ácido diluido a 190 ° C. Se requirió un intervalo más
estrecho de más altos niveles de gravedad combinado para el
tratamiento previo para obtener altos rendimientos de xilosa solubles
cuando se aumentó el contenido de humedad de la materia prima
impregnada de ácido de 55 a 63% en peso. Se dieron rendimientos de
etanol en exceso de 85% para 190°C.
 Bondesson et. al. (2013) Investigaron el pretratamiento de vapor para
el rastrojo de maíz, con y sin ácido sulfúrico como catalizador, y se
examinó el efecto del tiempo de residencia ( 5-10 minutos ) y la
temperatura ( 190-210 ° C ) en la glucosa y la recuperación de xilosa. El
mayor rendimiento de glucosa obtenido fue de 86 % , obtenida
después del tratamiento previo a 210 ° C durante 10 minutos en
ausencia de catalizador , seguido de hidrólisis enzimática . El mayor
rendimiento utilizando ácido sulfúrico , 78 % , se logró utilizando el
pretratamiento a 200 º C durante 10 minutos . Estas dos condiciones
de pretratamiento se investigaron mediante dos configuraciones de
proceso diferentes . Los más altos rendimientos de etanol y metano se
obtuvieron a partir del material pretratado en presencia de ácido
sulfúrico. La suspensión en este caso se divide en una fracción sólida

y una fracción líquida, donde se utilizó la fracción sólida para producir
etanol y de la fracción líquida para producir biogás.
 Cui et. al. (2012) trabajaron con la paja de trigo que fue tratada
previamente por explosión de vapor utilizando diferentes temperaturas
de vapor y tiempos de retención, y se analizó la composición química
de la paja del trigo en bruto y de vapor. En el proceso de hidrólisis
enzimática, la conversión más alta reducción de la concentración de
azúcar y la glucosa eran 5,12 g/L y 86,42%, respectivamente , lo que se
logró en las condiciones de explosión de 220 °C y 3 min de tiempo de
tratamiento.
 Sendelius J. (2005) realizo una optimización del pretratamiento con
vapor para la obtención de bioetanol a partir de bagazo de caña. Las
condiciones de pretratamiento evaluados fueron: Temperatura: 180,
190 y 205 º C , el tiempo: 5 y 10 minutos, y agentes de impregnación:
agua, 2 % de SO2 en peso de agua en el bagazo y finalmente 0.25 g
H2SO4 por 100 g de materia seca. En los experimentos de hidrólisis
SO2- tratamiento previo a temperaturas de 180 y 190 º C durante 5
minutos dio lugar a rendimientos globales de 76,6 a 96,6 % basándose
en el contenido de glucosa.
 Amores et. al. (2013) sometieron el bagazo de caña a un
pretratamiento por explosión por vapor a diferentes temperaturas
durante 5 min. Determinaron que la temperatura óptima fue de 215° C
durante 5 min, lo que dio como resultado un rendimiento global de
glucosa de 86,8 % de la contenida en la materia prima. La
concentración final de etanol más alta (56,3 g L - 1) se logró con SSF
suplementado con enzima xilanasa en 20% de concentración de
sólidos.
 Heike K. et. al. (2012) sometieron la paja de trigo a explosion de vapor
donde la temperatura y los tiempos iba de 160 ° C, a 10 minutos a 200 °
C, 20. Posteriormente se trató mediante una hidrolisis enzimática. El
pretratamiento a 200 ° C durante 20 minutos (factor de severidad
18000; log (R0) = 4,26) logra la concentración más alta de azúcar, la
conversión de aproximadamente el 100% de celulosa durante la
hidrólisis. Estrategias de recirculación con paja de trigo fueron
desarrollados, donde la solución de azúcar de una primera reacción de
hidrólisis se recicló dos veces para paja fresca y la reacción de
hidrólisis posterior. La concentración de glucosa se incrementó aún
más por un proceso de recirculación de sólidos lavados frescas y
posterior hidrólisis de 30 g/L a 143 g/L.

 Allen et. al. (2010) demostraron que el furfural induce la acumulación
de especies de oxígeno reactivo en Saccharomyces cerevisiae ,
además , el furfural se demostró que causaba daño celular que es
coherente con la acumulación de especies de oxigeno reactivo en
células que incluye el daño a la mitocondria y las membranas de la
vacuola, el citoesqueleto de actina y la cromatina nuclear. El daño
inducido por el furfural es menos grave cuando la levadura se cultiva
en una concentración de furfural (25 mM) que permite la eventual
crecimiento después de un retraso prolongado en comparación con
una concentración de furfural (50 mM) que impide el crecimiento.
 S.I. Njoku et. al. Investigaron la eficiencia de la explosión húmeda
aplica como pretratamiento ácido diluido modificado en condiciones
de referencia previamente identificados (150 C , 0,3 % H2SO4, 15 min)
se investigó en la alfalfa , raigrás , festuca , pasto ovillo , festuca
centeno, forraje pasto y paja de trigo en a fin de identificar su
potencial como materia prima para la producción de bioetanol
celulósico. Después del pretratamiento , la recuperación de celulosa
era más de 95 % de toda la biomasa mientras que la convertibilidad
enzimática de la celulosa varió de 40 % a 80 % . La recuperación
hemicelulosa fue 81-91 % con un rendimiento pentosa final del 65-85
%. Hierba Dactilo y paja de trigo tiene el potencial más alto de
bioetanol de 292 y 308 L / ton de MS, respectivamente. Eficiencias
globales fueron superiores a 68 % para la hierba dactilo recogida,
hierba festuca, paja de trigo, y forraje de hierba, las eficiencias fueron
inferiores a 61 % para los otros recursos de la biomasa probados.
 N. Jacquet et. al. compararon el efecto de diferentes tratamientos de
explosión de vapor en la degradación térmica de una celulosa
blanqueada. Los resultados de este estudio mostraron que la
degradación térmica de las fibras de celulosa se limita cuando el
factor de gravedad aplicada estaba por debajo de 4,0. Para
intensidades más altas, la determinación de los productos de
degradación en el extracto soluble en agua mostró un aumento
importante de la concentración de 5 - hidroximetil - furfural con la
temperatura. Cuando el factor de gravedad alcanzó 5.2, los análisis
por TGA mostró que el aumento de productos de degradación se
acopló a un aumento del nivel de carbón que significa una fuerte
degradación de la de celulosa. DTG comportamiento también mostró
que la estabilidad térmica de las muestras de explosión de vapor
disminuyó con la intensidad del tratamiento.

N. Jacquet et. al. compararon el efecto de diferentes tratamientos de
explosión de vapor en las propiedades fisicoquímicas y la velocidad
de hidrólisis de una celulosa blanqueada pura. Los resultados
mostraron que los tratamientos de explosión de vapor moderada
(factor de gravedad por debajo de 5,2) no parece influir en la velocidad
de hidrólisis enzimática de las fibras de celulosa. Sin embargo, la
caracterización de las muestras mostró una modificación de las
propiedades fisicoquímicas de la celulosa, lo que resulta en un
aumento de los valores de retención de agua (WRV) acoplados a un
aumento de la cristalinidad global. Para intensidades de tratamiento
más altas, se pone de relieve una importante degradación térmica de
la celulosa. Esta degradación térmica causado una importante
modificación de la composición de celulosa que conduce a una
disminución de la velocidad de hidrólisis.
 Wen-Hua C. et. al. (2011) investigaron la paja de arroz y
pretratamientos combinados utilizando acido-diluido y explosión de
vapor seguido de hidrólisis enzimática y se comparó con el ácido
como tratamiento previo de la explosión de vapor. Las condiciones de
funcionamiento óptimas para la primera etapa de hidrólisis - ácido

diluido se determinó que eran 165 C durante 2 min con 2 % de H2SO4
y para la segunda etapa de explosión de vapor fue llevado a 180 °C
durante 20 min, lo que dio la combinación más favorable en términos
de un proceso integrado. Encontraron que la paja de arroz pretratada
por las explosiones ácido-diluido/vapor tenía un rendimiento de xilosa
superior, un menor nivel de inhibidor en el hidrolizado y un mayor
grado de hidrólisis enzimática, lo que resultó en un aumento de 1,5
veces en el rendimiento global de azúcar cuando en comparación con
la explosión de vapor catalizada por ácido.
 P.-Tejeda L. et. al. (2010) buscaron obtener bioetanol a partir de
cáscaras de naranja y piña. La hidrólisis ácida se llevó a cabo con
ácido sulfúrico al 5% a 125°C y 15 psi para obtener un jarabe
azucarado. Este jarabe fue fermentado con Saccharomyces cerevisiae
en un reactor con agitación durante 7 horas. Se determinó el
contenido de etanol por cromatografía de gases y se encontró,
finalmente, que con las cáscaras de naranja se obtuvo mayor
contenido de etanol, 8.4 mg/g, que con las cáscaras de piña, 1.0 mg/g.
 Fonseca-Santanilla E.B. et. al. (2006) sometieron residuos celulósicos
agroindustriales (paja de trigo, paja de cebada y restos de maíz) a
hidrólisis ácida con ácido sulfúrico diluido a diferentes
concentraciones y diferentes tiempos de reacción según un diseño
experimental 4x3x3 con tres repeticiones.
Los datos obtenidos indican que es factible obtener cantidades
importantes de azúcares a partir de los sustratos estudiados, así como
también que la paja de trigo posee un mayor porcentaje de materiales
totales hidrolizables, mientras que el maíz reacciona más rápidamente.
Los resultados, muestran que es factible la obtención de cantidades
importantes de azúcares reductores (alrededor del 24% para el trigo y
del 18% para el maíz).
 Zimbardi F et. al. (2007) investigaron el efecto sinérgico de la pre-impregnación
por ácido sulfúrico y explosión de vapor para la
recuperación de azúcar en rastrojo de maíz mediante la extracción con
agua y digestibilidad de la celulosa por enzimas, para el tratamiento de

explosión de vapor se seleccionaron las siguientes temperaturas: 180,
190 y 200 ◦ C y cargas de ácido sulfúrico de 0, 1.5 y 3 % en peso. La
recuperación máxima de azúcar mediante extracción con agua se
produce por un tratamiento SE de 190 °C durante 5 min y una carga de
ácido del 1,5 % en peso. En estas condiciones 25 % de los azúcares
que se encuentran en el material de alimentación se puede recuperar
en forma de monómeros u oligómeros.
 Piñeros et. al. (2011) estudiaron la explosión con vapor a 190°C (10 y
25 min) de cascarilla de arroz impregnada con agua y una solución de
ácido sulfúrico 0,5% v/v. Como resultado, lograron solubilizar
parcialmente la hemicelulosa y afectar la estructura del material, con
lo que se aumentó la producción de azúcares a partir de cascarilla,
obteniéndose una máxima recuperación global de glucosa
(tratamiento e hidrólisis enzimática) de 14,98% p (0,5% v H2SO4, 25
min, 190°C); este valor es muy superior al 0,7% p logrado con material
sin tratar.

4. Justificación
En la región la cantidad de biomasa producida por el campo y la industria
generalmente es desaprovechada o utilizada de una forma ineficiente por diversos
motivos, como la falta de recursos para mejorar los equipos ya existentes o
adquirirlos.
Estos residuos pueden ser considerados materias primas ya que de ellos pueden
derivar una gran variedad de productos que generalmente no se consideran que
los aporte, productos que resultan ser de gran utilidad para el ser humano.
Ejemplo de esto es el uso de la cascarilla de arroz como combustible para
alimentar hornos de secado debido a sus propiedades físico-químicas, su bajo
peso y buena aireación, también es procesado en un polvo fino que es utilizado
como abono para plantas y construcción; del bagazo de caña se obtienen
productos como el xilitol, producto edulcorante con características interesantes,
papel y aglomerados, así como fuente de energía para el calentamiento de
calderas, en la región el principal uso es para la alimentación animal; En el caso
del rastrojo de maíz los usos más habituales son para la alimentación de ganado
que producen carne o leche, debido a su aporte proteico y calórico, este residuo
presenta un bajo porcentaje de lignina haciéndolo más digestible, en la región no
es aprovechado de ninguna forma. Todos estos residuos son ricos en compuestos
lignocelulosicos, por lo tanto son ideales para la obtención de etanol, compuesto
utilizado para la generación de energía.
Con la creciente demanda de combustibles fósiles se busca una alternativa como
lo es el etanol, producido a partir de azucares provenientes de estos residuos.
Esta sustancia en su ciclo de vida no genera la misma cantidad de emisiones
contaminantes comparadas con la obtención de combustibles fósiles por lo tanto
utilizar los desechos agroindustriales es una forma viable para la obtención de
energía.
Debido a que las hidrolisis enzimáticas y acidas no generan los azucares
suficientes para la producción de etanol se opta por aplicar un método físico-químico,
como lo es la explosión por vapor, que provoca un desdoblamiento de las
fibras de celulosa con la ayuda del vapor de agua a altas temperaturas con
tiempos de reacción y una rápida descompresión que pone a disposición una
mayor cantidad de azucares fermentables. Sin embargo, durante este proceso se
pueden producir inhibidores, compuestos químicos tóxicos para los
microorganismos fermentadores, por lo que en este proyecto se propone obtener
las condiciones de mayor producción de azúcares y la menor cantidad de
inhibidores.

5. Hipótesis
El efecto combinado de hidrólisis ácida y explosión por vapor mejora la producción
de azúcares a partir de los residuos agroindustriales.
6. Objetivos
Objetivo general
Producir azucares fermentables utilizando métodos combinados de hidrólisis ácida
y explosión por vapor a partir de residuos agroindustriales (bagazo de caña,
cascarilla de arroz y rastrojo de maíz)
Objetivos específicos
 Caracterizar la actividad hidrólitica de diferentes residuos (bagazo de caña,
cascarilla de arroz y rastrojo de maíz), empleando el método de explosión
por vapor, variando temperatura, concentración de la solución ácida y
tiempo de residencia (Se determinará la concentración de azúcares e
inhibidores presentes en los hidrolizados).
 Evaluar cinéticas de crecimiento a partir del medio hidrolizado.

7. Metodología
Materiales y métodos
Procedencia y caracterización de la materia prima
El bagazo de caña y la cascarilla de arroz provienen del Ingenio Adolfo López
Mateos y arrocera Ipacpa respectivamente, cercanas a la ciudad de Tierra Blanca.
El rastrojo de maíz se recolectara de cultivos de parcelas cercanas a la ciudad.
Acondicionamiento de la materia prima
Todos los residuos dependiendo de su estado, serán secados en estufa a 60 °C y
posteriormente molidos en un molino de martillos marca armfield 2000, previo a su
utilización.
Actividad hidrolítica por método químico
Los residuos será sometidos a diferentes condiciones de tratamiento con ácido
sulfúrico de acuerdo a lo reportado en antecedentes
Residuo Tratamiento ácido
Rastrojo de maíz T, 120 C; H2SO4
Bagazo de caña T, 120 C; H2SO4, 1, 1.5 y 2%; Tiempo,
20 y 40 min
Cascarilla de arroz T, 120 C; H2SO4, 0,5, 1 y 2%; Tiempo,
5, 15 y 30 min
Actividad hidrolítica por método físico-químico
El material pretratado por método químico será sometido a condiciones de
temperatura y presión elevada utilizando un equipo de explosión por vapor, bajo
las siguientes condiciones:
Residuo Condiciones de operación
Rastrojo de maíz T, 135, 150 C;
Bagazo de caña
Cascarilla de arroz
Determinación de azúcares reductores
Carácter reductor
El seguimiento de la velocidad de hidrolisis enzimática se ha controlado por medio
de la determinación del contenido de azucares reductores solubles (P. g/mL),

producidos en el baño residual a diferentes tiempos. Para ellos, se ha utilizado
ácido dinitrosalicilico (DNS)37, como reactivo sensible a los productos de reacción,
empleando glucosa como reactivo patrón para la obtención de la curva de
calibrado del método. Este procedimiento de fundamenta en la reacción de los
grupos reductores de los productos de la relación catalítica, con el reactivo
oxidante ácido dinitrosalicilico (DNS).
El procedimiento analítico experimental se describe a continuación:
A. Condiciones de trabajo:
 Temperatura: 50 °C
 Medio: Disolucion tampón de acetato sódico 0.05 M, pH= 6.
B. Reactivos:
 D(+)-Glucosa anhidra para análisis, C6H12O6
 Acetato sódico para análisis, CH3COONa, 98% de riqueza.
 Ácido dinitrosalicilico (2-hidroxi-3,5-dinitrobenzóico) para análisis,
NaK(COO)2(CHOH)2.4H2O.
 Hidroxido sódico, NaOH
C. Materiales y equipo:
 Espectrofotómetro thermo scientific
 pH-metro conductronic PH 120
 Baño termostático a 50 y 100 °C
D. Preparación del reactivo: ácido dinitrosalicilico (DNS) al 1%:
Se disuelven en un vaso de precipitado, con ayuda de un agitador
magnético, 20,0 g de ácido 2-hidroxo-3,5-dinitrobenzóico en 800 mL de gua
desionizada.
Posteriormente, se adicionan gradualmente 300 mL de una disolución de
NaOH, preparada previamente (32,0 g/ 300 mL de agua desionizada). Se
calienta la disolución obtenida, en un baño de agua termostatizado a 50 °C,
hasta que la solución de aclare. Se añaden gradualmente 600 g de sal de
rochelle (tartrato sódico-potasico) La disolución se enfría hasta la
temperatura ambiente y se diluye con agua desionizada hasta 2 litros. La
disolución se deja en reposo durante la noche, filtrando la solución a través
de un crisol de placa porosa. La disolución obtenida puede utilizarse
durante 2 meses si se guarda en la oscuridad y a temperatura ambiente.

E. Medidas de absorbancia:
La absorbancia se determinó con el espectrofotómetro, a temperatura
ambiente y ala longitud de onda de 540 nm.
F. Preparación de la curva de calibrado:
La curva de calibración se determinó tomando como referencia el reactivo anhidro-glucosa.
Se prepararon disoluciones con concentraciones conocidas de 0,1, 0,2,
0,3, 0,4, 0,5 mg de glucosa/ mL, en el medio tampón (acetato sódico 0.05 M), pH=
6, determinando el contenido de azucares reductores, según el procedimiento
experimental siguiente:
 Se toma 1,0 mL de cada una de las soluciones estándar preparadas, en
tubos de ensayo individuales, y seguidamente se añaden 3,0 mL de la
solución tampón de ensayos de acetato de sodio, realizando en ensayo por
triplicado.
 Para el ensayo en blanco, se realiza el ensayo, por triplicado, sobre 4,0 mL
de la disolución tampón de acetato 0.05 M.
 Se añaden 6,0 mL de la disolución del reactivo DNS preparado, agitando
para la homogenización de la mezcla.
 Se mantienen los tubos en un baño de agua a ebullición durante 5 minutos
exactos, enfriándolos posterior mente en un baño de hielo, durante 10
minutos.
 Finalmente, después del acondicionamiento de las mezclas a temperatura
ambiente, se determina la absorbancia a 540 nm, realizando la curva de
calibrado del método.
Determinación de inhibidores (furanos y fenoles)
 Determinación de polifenoles
Procedimiento
1. Se requiere de 3 mL de muestra (10-50 ug de polifenoles), se adiciona 1 mL
0.016 M K3Fe(CN)6 y 1 mL 0.02 M FeCl3 en 0.1 M HCl.
2. Agitar la solución y espesar la solución durante 15 min a 25°C (se notara la
presencia de coloración azul)
3. Adicionar 3 mL de 6.03 M H3PO4, agitar 2 min a 25 °C hasta espesar (para
detener la reacción)
4. Adicionar 2 mL al 0.1 % de goma acacia. Agitar para estabilizar el
Fe4(Fe(CN)6)3.
5. Leer la DO en el espectrofotómetro a 700 nm.

La curva estándar para la medición de polifenoles, se realiza utilizando una
solución de hidroquinona de 1 a 10g/L.
 Determinación de furanos totales.
Los furanos puros absorben a 320 nm, debido a esto se realiza una corrección,
midiendo a las dos longitudes de onda y realizando una resta entre las
absorbencias registradas.
1. Diluir la muestra de la siguiente forma: 1:50 y 1:100
2. Leer en el espectrofotómetro a 284 nm y 320 nm.
3. Restar la absorbancia de 284 menos la absorbancia de 320
La curva estándar se realiza con soluciones de Furfural y 5-hidroximetilfurfural.
Cinética de crecimiento a partir del medio hidrolizado
Material biológico: Se utilizará la cepa de Pichia stipitis NRRL- Y7124,
proporcionada por el ITVeracruz.
Medio de conservación:
Las cepas serán conservadas en refrigeración a 4°C y resembradas cada mes en
el medio de cultivo cuya composición se indica en la siguiente tabla
Composición del medio de conservación
Componente gL-1
Agar – agar 20
Xilosa 20
Glucosa 5
Extracto de levadura 10
pH 5.5
Medio de fermentación:
Las fermentaciones serán realizadas utilizando un medio de cultivo cinético
mínimo , pero cambiando la fuente de carbono de glucosa por xilosa.
Composición del medio de fermentación
Componente gL-1
Fuente de carbono 20
KH2PO4 5
(NH4)2SO4 2
MgSO4 7H2O 0.4

Ph 5.5
Así también, se utilizara un medio enriquecido para levaduras, cuya composición
se indica en la siguiente tabla.
Composición del medio de fermentación.
Componente gL-1
Fuente de carbono 20
KH2PO4 5
(NH4)2SO4 3
MgSO4 7H2O 1
El medio se esterilizara en una autoclave a 121 °C durante 15 min en matraces
Erlenmeyer, esterilizando por separado la fuente de carbono, de las sales y el
extracto de levadura.
Las fermentaciones en hidrolizado de bagazo de caña hemicelulosico se llevaran a
cabo en proporciones de 25, 50, 75 y 100 y enriquecido de acuerdo a la
composición del medio de fermentación.
Condiciones de fermentación:
Para disminuir la fase de adaptación del microorganismo al medio de cultivo de
fermentación, este será activado en un pre cultivo. Se tomaran dos asadas de los
tubos inclinados que contendrán la levadura en conservación y se inoculara en un
matraz Erlenmeyer de 250 mL con 100 mL del medio de cultivo y se incubara a
150 rpm y 30°C. Después de que se transcurran las 12 horas de incubación para
Pichia stipitis y 24 horas para las levaduras que fermenten xilosa, se tomaran
6x106 células viables/mL del precultivo y serán inoculadas en un segundo matraz
con el mismo medio y volumen de precultivo, que será incubada a las mismas
condiciones, del cual serán tomadas 6x106 células viables mL-1 como inoculo para
los matraces en fermentación.
Las fermentaciones se llevaran a cabo en un cultivo por lote en matraces
Erlenmeyer de 250 mL con un volumen de operación de 150 mL con el medio de
cultivo mencionado anteriormente mencionados, y con hidrolizado hemicelulosico
de bagazo de caña, se incubaran en una incubadora orbital a 150 rpm y 30°C. El
pH se ajustara en 5.5 mediante la adición de ácido orto fosfórico. Todos los
experimentos se llevaran a cabo por duplicado.

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