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Generación de etanol a partir de las penca de desvirado de
Agave salmiana Otto ex Salm Dyck
Comité Tutorial
M.C. César Ivan Godínez HernándezDr. Juan Rogelio Aguirre Rivera
Presenta
Andrea Murillo Luna Estudiante de Ingeniería Agroindustrial
1
COMBUSTIBLES
El desarrollo tecnológico de la producción biocombustibles es creciente
tanto en países desarrollados (Estados Unidos, Alemania y Canadá) como
en vías de desarrollo (Brasil y México), pues se busca el aseguramiento
energético ante la expectativa finita de los combustibles fósiles.
2
(Pearse, 2003)
COMBUSTIBLES
El etanol se utiliza actualmente (en cierta proporción) para oxigenar
(enriquecer el grado de octanaje) las gasolinas o combustibles fósiles de los
motores de combustión interna.
La connotación se ha usado:
• Para denotar a combustibles que se generan a partir de biomasa o
compuestos vegetales.
• Que ayudan a reducir emisiones de gases de efecto invernadero.
3
(Pilgrim, 2009)
Transición de los antidetonantes de las gasolinas en México
• PlomoTetra etilo de plomo • MTBE y ETBE
MTBE (Metil terc butil eter) ETBE (Etil terc butil eter)
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Los noventa
2016-2017
Los cuarenta - ochenta
(Schifter y López, 2011)
Además de los compuestos generados en la combustión de gasolinas
(CO, CO2, dióxido de azufre y agua) se esparcían parte de los antidetonantes
(tóxicos) en el ambiente.
Biocombustibles de primera generación
Se elaboran con materiales de procedenciaagrícola, conformados por las partes alimentarias delas plantas, las cuales tienen un alto contenido dealmidón, azúcares y aceites.
Son los que actualmente más se producen, puesresultan técnica y económicamente factibles, perocompiten con el uso alimentario de estas materiasprimas.
5
(Monceaux, 2009)
Biocombustibles de segunda generación
Se elaboran a partir de residuos agroindustriales (sin uso
alimentario) y forestales, compuestos principalmente por
materiales ricos en celulosa, hemicelulosa y
lignina, como pajas, rastrojo de maíz y sorgo y bagazos
sin valor alimentario para el humano.
Su desarrollo tecnológico incipiente y poco rentable por
los altos costos que implican los procesos de
hidrólisis, transformación del sustrato, neutralización y
destilación, además de sus bajos rendimientos.
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(Monceaux, 2009)
Principales países productores de biocombustibles
7
1 2
Etanol de primera generación
(Pilgrim and Wright, 2009)
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Normativa vigente en México sobre el uso de etanol en gasolinas
Diario Oficial de la Federación-NOM-016-CRE-2016:26/06/2017
Diario Oficial de la Federación-NOM-016-CRE-2016:26/06/2017
9
Empresas alcoholeras nacionales que tienen contratos con PEMEX
10
Soluciones en Ingeniería Naval Marina y Terrestre
Caña de azúcar
Caña de azúcar
Caña de azúcarSorgo
?
Apreciaciones generales sobre los biocombustibles
• Sin duda, actualmente la energía necesaria para elaborar
biocombustibles supera a la energía que se puede obtener de ellos
durante su combustión (es decir, su producción es
termodinámicamente inviable). Por esta razón, no es posible sustituir
enteramente las gasolinas por etanol si no como sustituto de
antidetonantes como el MTBE y ETBE.
11
12
Los biocombustibles de segunda generación serán los de mayor
trascendencia para un futuro, pues los de primera generación atentan contra
la seguridad alimentaria de muchas países.
Apreciaciones generales sobre los biocombustibles
Agave salmiana Otto ex Salm-Dyck
• Es parte de la vegetación natural del altiplano postino
• Se utiliza principalmente como materia prima para la elaboración
de mezcal
• Es un recurso subutilizado como forraje
• De esta especie se generan grandes cantidades de residuos por la
fábricas de mezcal.
13
(Aguirre et al., 2001)
Pencas de desvirado de maguey
Quedan en los agostaderos concentradas y tendidas alrededor dellugar que ocupaba la planta recolectada, cubriendo el suelo y lasespecies herbáceas de porte bajo como zacates, entorpeciendo sucrecimiento y fotosíntesis.
El peso de las pencas de desvirado representa 41 % del peso de laplanta madura completa.
Es decir, que de una planta de peso promedio de 120 kg, la cabezapesa 70.8 kg y 49.2 kg son de pencas de desvirado
14
(Aguirre et al., 2001)
Segura (1891) registro una producción anual de mezcal en 1889 para el estado de San Luis Potosí
de 4,068,726 L a 38°GLEsto equivale a producir 223 hornos/semana bajo las condiciones actuales de eficiencia
Equivale a generar 2676 t de pencas de desvirado / semana
Por cada horno (lote) de 16 t de cabezas que
procesa la fábrica Laguna Seca a la
semana
Se generan 11 t de pencas
de desvirado
Cabeza Planta
Estimaciones de pencas de desvirado generadas actualmente y a finales del siglo XIX
Generación de pencas de desvirado en la actualidad
15
Michel et al. (2008) han encontraron un gradiente de concentración de
carbohidratos de menor a mayor, desde el ápice de las pencas hacia el
tallo en Agave salmiana. La hidrólisis ácida de los jugos de las diferentes
fracciones de las pencas revela la presencia de carbohidratos como
fructosa, glucosa y sacarosa.
16
Carbohidratos en las pencas de A. salmiana
< Concentración de azúcares
> Concentración de azúcares
Peculiaridades de los jugos de las pencas de maguey
• Contienen cristales de oxalato de calcio en forma de
rafidios.
• Estos rafidios tiene forma de aguja bi-puntiaguda y su
abundancia y tamaño es diferente en cada especie.
• El efecto de escozor en la piel del jugo de pencas se
debe a los rafidios y la presencia de saponinas o
algunas enzimas.
• Los rafidios junto con las saponinas se concideran
inhibidores de las fermentaciones alcohólicas.
• Los rafidios son insolubles en agua y por lo tanto
puede separarse de manera mecánica.
17(Webb, 1999; León, 2000; Jáuregui y Moreno 2004; Raman et al., 2014; Godínez et al., 2016)
El desarrollo de este estudio es una oportunidad para evaluar la posibilidad de
aprovechar las pencas de desvirado de las mezcaleras del altiplano potosino
para la generación de biocombustible de segunda generación (etanol).
18
¿Es posible obtener etanol a partir de los jugos de
pencas de desvirado de Agave salmiana?
19
Evaluar el rendimiento, la eficiencia y la calidad del etanol
generado por fermentación alcohólica de los azúcares de los
jugos de pencas de desvirado de A. salmiana.
20
21
− Estimar la biomasa no aprovechada durante la elaboración de mezcal
− Cuantificación y eliminación de inhibidores de la fermentación (cristales de oxalato de
calcio o rafidios) presentes en la materia prima.
− Cuantificar y la concentración de carbohidratos de los jugos de las pencas de desvirado.
− Contrastar dos métodos de hidrólisis tanto térmica como enzimática de los jugos de
pencas de desvirado.
− Obtener etanol anhidro mediante la fermentación y destilación de la materia prima
− Cuantificar el rendimiento y la calidad del etanol obtenido en la destilación.
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Decantación de los cristales por
centrifugación durante 20 minutos a 1500 rpm
Hidrólisis enzimática con Agavezyme Conc y térmica.
Sedimentos de los jugos decantados
Fermentación con una cepa enológica de
Saccharomyces cerevisae
Recolección de las pencas de desvirado
Extracción de jugos crudos
Análisis de la composición de los
carbohidratos por HPLC
El vino se destilará con un alambique con una
columna de rectificación para la
obtención de etanol a 95° GL.
Deshidratación con sales sodio
Caracterización del rendimiento y composición del etanol anhidro
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Cuadro1. Peso fresco (kg) de cabeza (PFC), pencas de desvirado (PFPD) y planta completa (PFPC), relación (%) pencas de desvirado/planta completa (RPD/PC), volumen (L) de jugo fresco (VJFPD), grados Brix y pH de los jugos de pencas de desvirado (PD) de A. salmiana
Individuo PFC PFPD PFPC RPD/PC VJFPD °Brix pH
1 68.4 43.4 111.8 38.8 23.7 13.6 4.3
2 59.5 45.5 104.9 43.3 29.6 12.2 4.2
3 75.7 62.0 137.7 45.0 37.2 11.5 4.3
4 130.4 106.4 236.8 44.9 65.7 11.0 4.4
5 55.5 38.1 93.7 40.7 24.0 12.4 4.1
Media 77.9 59.1 137.0 42.6 36.0 12.1 4.3
− La proporción del peso de la planta completa de las pencas de desvirado es similar a
41 % documentado por Aguirre et al. (2001), y la cantidad de jugo fresco de pencas
por una planta de peso medio de 137 kg es de 42.6 % es decir 36 L.
24
Cuadro. 2 Recuento de cristales de oxalato de calcio (rafidios) en losjugos de pencas de desvirado (PD)
Jugo crudo de PD
Jugo de PD filtrado con tela de muselina
Jugo de PD filtrado con tela de manta
Decantados por centrifugación
Cristales/campo 12.50 0.75 0.10 0.00
Cristales/ml 13 388.88 833.33 111.11 0.00
Relación de cristales (%) 100.00 62.00 0.83 0.00
n=5
− La cantidad cristales de oxalato de calcio/ml en A. salmiana (13 388 cristales/ml) es
superior a lo documentado para A. tequilana (4 166 cristales/ml). Quizás esta riqueza
superior este relacionado con la pungencia y escozor que causa en la piel al contacto.
75 %
4.0 %
16%5%
Fructoligosacaridos
Sacarosa
Fructosa
Glucosa 0%
86%
3%
11%
Agua
Otros (cenizas)
Carbohidratos
Análisis de la composición de los carbohidratos de los jugosde las pencas de desvirado de A. salmiana por HPLC
25
Composición de la materia seca (p/p) de los jugos de pencas de desvirado
Composición (p/v) relativa de los jugos de pencas de desvirado
Figura 2. Cinética de la hidrólisis térmica (120 °C) de los carbohidratos presentes en los jugos de pencas de desvirado de A. salmiana.
26
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
0 5 10 15
Con
cent
raci
ón d
e ca
rboh
idra
tos (
% p
/v))
Tiempo de hidrólisis (h)Otros Fructooligosacáridos Glucosa Fructosa F+G
Figura 1. Cinética de la hidrólisis enzimática de los carbohidratos presentes en los jugos de pencas a 60 °C
27
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
0 1 2 3 4 5
Con
cnet
raci
ón d
e ca
rboh
idra
tos (
%p/
v)
Tiempo de incubación (h)
Otros Fructooligosacáridos Glucosa Fructosa G+F
28
Hasta el momento se han realizado ensayos preliminares de las fermentaciones
obteniendo cantidades poco significativas de etanol, sin embargo se está considerando
el efecto inhibidor de las saponinas y su eliminación, la depuración de CO2 durante la
fermentación que probablemente interfiere en el desarrollo de la fermentación, la
optimización del equipo de destilación .
Crecimiento de las levadurasFermentación
Destilación
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En promedio se obtienen 36 L de jugos fresco de pencas de desvirado de unaplanta de peso medio de 137 kg.
La separación de los rafidios mediante el uso de una manta con medio filtrante deljugo fresco de pencas de desvirado es cerca de 99 % de los rafidios.
Existen cerca de 11 % de carbohidratos disueltos en los jugos de pencas dedesvirado, suficientes para fermentarse en condiciones anaerobias.
La hidrólisis enzimática requiere menos energía y tiempo que la hidrólisistérmica, mostrando una conversión de fructooligosacáridos en más del 95 % enazúcares fermentables.
Para la optimización de la fermentación es necesario considerar otros factorescomo la liberación del CO2 y el efecto inhibidor de las saponinas presentes en laspencas de los magueyes.
30
XX X
XX
X
X
XX
X
XX
X
XXX
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